CN111187997B - 一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法 - Google Patents

一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，涉及铸造铝合金热处理方法领域，包括以下步骤：步骤(1)检测铸件；步骤(2)固溶处理升温；步骤(3)固溶处理保温；步骤(4)淬火；步骤(5)停留；步骤(6)人工时效升温；步骤(7)人工时效保温；步骤(8)保温时间结束后铸件出炉空冷。通过采用上述技术方案，先测试出半固态铝硅合金的基本特性参数，然后再通过公式计算出半固态铝硅合金压铸件在热处理过程中各个阶段的工艺参数，从而既能够保证半固态铝硅合金的热处理质量，同时相较于正交实验来说也更为方便，有效地提高了整个热处理的效率。

Description

一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法
技术领域
本发明涉及铸造铝合金热处理方法领域，特别涉及一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，属于有色金属材料热处理领域，特别是半固态铝合金热处理领域。
背景技术
半固态铝合金铸件以其优良的物理和力学性能而著称，日益受到工业界的关注和青睐。然而，半固态铝合金铸件只有经过适当的热处理，其优异的力学性能才能得到充分发挥。目前，半固态铝合金铸件强韧化热处理方法一般采用T5和T6热处理，即固溶处理+淬火+人工时效，这也是目前最通用的热处理工艺。
在已有的文献中，如现有技术1：李伟东、陈和兴和王顺成等在《铸造》中公开的《热处理对半固态A356铝合金挤压铸件组织与性能的影响》；现有技术2：王顺成、蔡畅戚和文军等在《热加工工艺》中公开的《触变模锻半固态A356铝合金的组织与力学性能》；现有技术3：陈正周，宋朝辉和罗文博在《中国有色金属学报》中公开的《热处理对流变压铸铝合金力学性能和显微组织的影响》；现有技术4：孙成宁和孙悦在《铸造技术》中公开的《固溶处理对A356铸造铝合金力学性能影响》，就固溶温度和保温时间、人工时效温度和保温时间等对力学性能的影响进行了大量的研究，得出了一些很有价值的结论。然而，这些热处理参数都是通过多次正交实验并比较实验结果获得，这些热处理参数的设计，理论性的分析论述略显不足。同时，现有的强韧化热处理方法中固溶处理和人工时效阶段保温时间都比较长。
本发明就是基于热处理前半固态铝合金铸件的特征参数来进行T5和T6热处理参数设计，并通过经验公式的计算来获得这些参数，从而缩短了热处理时间，力学性能也得到了大幅度提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其通过计算方式，准确地获得了热处理参数，从而在缩短热处理时间的同时，也提高了半固态铝合金铸件的力学性能。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，包括以下步骤：
步骤(1)检测铸件。检测内容包括：
第一，检测制备结束时半固态浆料的温度，采用Scheil公式换算出半固态浆料的固相率f1；
第二，检测化学成分，记录Si的含量(质量百分数)；
第三，测量有效壁厚，用δ表示，单位为mm；
第四，测量α1(Al)晶粒的平均当量直径，用d表示，单位为μm；
步骤(2)固溶处理升温；
步骤(3)固溶处理保温，其分三个阶段，每个阶段的保温温度分别为T1、T2和T3，保温时间分别为t1、t2和t3，温度单位为℃，时间单位为min；
步骤(4)淬火；
步骤(5)停留，淬火后停留2～3小时；
步骤(6)人工时效升温；
步骤(7)人工时效保温，分两个阶段，每个阶段的保温温度分别为T1 *和T2 *，保温时间分别为t1 *和t2 *，温度单位为℃，时间单位为min；
步骤(8)保温时间结束后铸件出炉空冷。
通过采用上述技术方案，先测试出半固态铝硅合金的基本特性参数，然后再通过公式计算出半固态铝硅合金压铸件在热处理过程中各个阶段的工艺参数，从而既能够保证半固态铝硅合金的热处理质量，同时相较于正交实验来说也更为方便，有效地提高了整个热处理的效率。
优选为，步骤(2)固溶处理升温速度为v1，
Figure GDA0002743289010000021
单位为℃/min，式中个符合的含义：
k——装炉系数，取1～1.5；
α——加热系数，单位为min/mm，α为1～1.3；
η——折算壁厚，单位为mm，当δ≤5时，η＝5；当δ＞5时，
Figure GDA0002743289010000031
优选为，步骤(3)第一段保温温度T1为555℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000032
式中，f2为α2(Al)的固相率，
Figure GDA0002743289010000033
CSi为铝硅合金中Si的含量。
通过采用上述技术方案，首先，第一段保温温度T1为555℃。主要原因如下：第一，555℃接近Al-Si共晶组织的熔点，可以使其快速分解；第二，分解后，片状共晶硅的钝化速度变快，使共晶硅尽快从片状变成鹅卵石状；第三，因α2(Al)的熔点高于Al-Si共晶组织的熔点，所以在较高温度下，能够使α2(Al)的分解速度加快。
其次，第一段保温时间
Figure GDA0002743289010000034
式中，5为经验系数，f2为α2(Al)的固相率，可以通过公式
Figure GDA0002743289010000035
来计算，12.6为Al-Si二元合金相图中共晶点处的Si的含量，1.65为α(Al)中Si的最大固溶度。已知CSi，通过杠杆定律可以推导出初生α(Al)的总含量为
Figure GDA0002743289010000036
即f1+f2的总和。
Figure GDA0002743289010000037
为α2(Al)占总α(Al)的比例。
并且，此处第一段保温温度较高，并且在这段保温时间内要求α2(Al)全部消失，同时也要求Al-Si共晶组织全部分解出Al和Si。实际上，由于Al-Si共晶组织的熔点比α2(Al)的熔点低，在α2(Al)全部消失之前，Al-Si共晶组织已经全部分解出Al和Si，所以，第一段保温时间t1实际上由α2(Al)的含量确定，即由f2确定。在CSi确定的前提下，f1+f2实际上是一个定值，由杠杆定律计算得知，对于确定的铸件和装框情况，kαη的乘积，即加热时间也是一个定值，所以，第一段保温时间t1可以通过f2准确地计算出来。
优选为，步骤(3)第二段保温温度T2为535℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000038
通过采用上述技术方案，首先，第二段比第一段保温温度要低，在这个阶段主要发生的相变是：Si在钝化过程中分解的Si原子向α1(Al)晶粒中扩散、分解的α2(Al)被α1(Al)吸收并长大、Mg2Si向α1(Al)晶粒中扩散，最终使α1(Al)晶粒的尺寸变大，同时也变成含Si和Mg2Si的过饱和固溶体。
其次，第二段保温时间
Figure GDA0002743289010000041
式中12为经验系数，
Figure GDA0002743289010000042
是与α1(Al)晶粒的平均当量直径d相关的折算系数。第二段保温主要目的是确保Si和Mg2Si充分地向α1(Al)中扩散，在确定的温度下，扩散系数为某个常数，所以，实际保温时间由扩散距离决定，而这个扩散距离主要由d的大小决定。
优选为，步骤(3)第三段保温温度T3为545℃，保温时间为t3＝3kαη。
通过采用上述技术方案，首先，通过第二段的保温，Si和Mg2Si在α1(Al)中的扩散并均匀化基本完毕，分解出的α2(Al)也基本被α1(Al)吸收完毕。此时，α1(Al)晶粒的形貌不再是铸态时最初的形貌。为了使α1(Al)形貌更加圆整，同时增加更多的空位、位错和亚晶界等晶体缺陷为淬火做准备，所以第三段比第二段保温温度要略高。
其次，第三段保温时间为t3＝3kαη，式中3为经验系数。在第三段温度保温一段时间，目的是进一步提高晶体缺陷的密度，进而提高铸件内能，增强后续淬火的效果。
优选为，步骤(3)从第一段保温T1到第二段保温T2，采用炉冷的方法降温；从第二段保温T2到第三段保温T3，升温速度为v2，
Figure GDA0002743289010000043
单位为℃/min。
此处，式
Figure GDA0002743289010000044
中的4为经验系数，单位为℃。
优选为，步骤(6)人工时效升温速度为v3，
Figure GDA0002743289010000045
单位为℃/min。
优选为，步骤(7)中第一段保温温度T1 *为210℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000046
通过采用上述技术方案，首先，第一段保温温度T1 *为210℃，这是因为人工时效是过饱和α1(Al)固溶体自发分解的过程，从而使铝合金基体的点阵恢复到比较稳定的状态。第一阶段采用较高的温度，有利于形成GP区和亚稳相。
其次，
Figure GDA0002743289010000051
式中2为经验系数，
Figure GDA0002743289010000052
是与α1(Al)晶粒的平均当量直径d相关的折算系数。因为在第一段保温期间，GP区和亚稳相的形成主要在α1(Al)晶粒内部进行，所以α1(Al)晶粒的当量直径d对保温时间起决定作用。
优选为，步骤(7)第二段保温温度T2 *为175℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000053
单位为min，0≤tp≤60。当tp＝0时，相当于T5热处理；当tp＝60时，相当于T6热处理，从第一段保温到第二段保温采用炉冷的方法降温。
通过采用上述技术方案，这一阶段保温温度选择175℃，主要是因为Si和Mg2Si从过饱和固溶体α1(Al)晶粒中析出并聚集，亚稳相变成稳定相，这个阶段在较低的温度下进行，便于力学性能的控制。
优选为，步骤(4)的淬火为水淬，淬火前水温50～60℃。
通过采用上述技术方案，利用水温50～60℃进行淬火，这样淬火后铸件内部形成高密度的晶体缺陷，如空位、位错和亚晶界等。这些高密度的晶体缺陷使铸件内能增加，在时效过程中，这些缺陷是固溶相脱溶分解和形核长大的相变驱动力，为后续人工时效缩短时间准备了前提条件。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
(1)把化学成分、微观组织、铸件壁厚和装炉系数等铸件特征参数和装炉状态作为热处理工艺设计的条件参数进行公式化计算，计算得到的工艺参数可以作为热处理的最优工艺参数。在现有文献中，半固态铝合金铸件热处理工艺参数都是通过大量实验，即试错的方法来获得；(2)通过公式化计算得到的固溶处理总保温时间和人工时效总保温时间与GB/T 1173-2013表A.1中T5和T6热处理的时间相比(以ZL101A为例)，总时间大大缩短。与现有的半固态铝硅合金压铸件T5和T6热处理工艺相比，热处理的总时间也大大缩短；
(3)热处理后的力学性能与GB/T 1173-2013表3中的力学性能相比(以ZL101A为例)，力学性能大大提高。与现有的半固态铝硅合金压铸件T5和T6热处理工艺相比，在力学性能方面也得到提高，特别是T5热处理，断后伸长率提高明显。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的热处理温度时间曲线；
图2为本发明实施例1的铸态微观组织图；
图3为本发明实施例1的T5热处理后微观组织图；
图4为本发明实施例2的铸态微观组织图；
图5为本发明实施例2的T6热处理后微观组织图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例1以ZL101A铝合金半固态压铸作为实施例，提供一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)铸件检测。检测内容包括：
第一，检测制备结束时半固态浆料的温度为610℃，采用Scheil公式换算出半固态浆料的固相率f1＝12.5％；
第二，用光谱仪检测化学成分，化学成分见表1，硅含量为7.1％；
表1本实施例1中ZL101A铝合金的化学成分(质量百分比)
化学元素 Si Mg Ti Fe Cu Mn Pb
含量(％) 7.1 0.33 0.12 0.16 0.06 0.05 0.02
第三，用游标卡尺测量有效壁厚δ＝7mm；
第四，用光学显微镜测量α1(Al)晶粒的平均当量直径d＝62μm；
热处理前铸件的微观组织见图2所示。通过计算得到本实施例1铸件特征参数，见表2：
表2本实施例1铸件特征参数
Figure GDA0002743289010000061
Figure GDA0002743289010000071
步骤(2)固溶处理升温
升温速度为
Figure GDA0002743289010000072
式中：k＝1.05(下文同)，α＝1.1(下文同)，
Figure GDA0002743289010000073
(下文同)。v1＝2.48℃/min。
步骤(3)固溶处理保温，保温分三个阶段：
第一段保温温度T1为555℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000074
t1＝24.24min；
第二段保温温度T2为535℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000075
t2＝86.28min；
第三段保温温度T3为545℃，保温时间为t3＝3kαη，t3＝19.37min；
从第一段保温555℃到第二段保温535℃，采用炉冷的方法降温；从第二段保温535℃到第三段保温545℃，升温速度用v2表示，
Figure GDA0002743289010000076
步骤(4)淬火，且淬火前水温55℃。
步骤(5)淬火后停留2.5小时。
步骤(6)人工时效升温。升温速度v3＝2.48℃/min。
步骤(7)人工时效保温。保温分两个阶段：
第一段保温温度T1 *为210℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000077
第二段保温温度T2 *为175℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000078
采用T5热处理，即tp＝0，t2 *＝38.73min。从第一段保温到第二段保温采用炉冷的方法降温。
第二段保温时间结束后铸件出炉空冷；
通过计算本实施例1工艺参数见表3所示：
表3本实施例1工艺参数
Figure GDA0002743289010000081
本发明实施例的热处理温度时间曲线见图1所示，T5热处理后铸件的微观组织见图3所示。经过检测，抗拉强度为315MPa，断后延伸率17.5％。
实施例2
本实施例2以ZL101A铝合金半固态压铸作为实施例，提供一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)铸件检测。检测内容包括：
第一，检测制备结束时半固态浆料的温度为608℃，采用Scheil公式换算出半固态浆料的固相率f1＝16.7％；
第二，用光谱仪检测化学成分，化学成分见表4，硅含量为6.95％；
表4本实施例2中ZL101A铝合金的化学成分(质量百分比)
化学元素 Si Mg Ti Fe Cu Mn Pb
含量(％) 6.95 0.38 0.15 0.17 0.05 0.04 0.02
第三，用游标卡尺测量有效壁厚δ＝7mm；
第四，用光学显微镜测量α1(Al)晶粒的平均当量直径d＝48μm；
热处理前铸件的微观组织见图4所示；
通过计算得到本实施例2铸件特征参数，见表5：
表5本实施例2铸件特征参数
Figure GDA0002743289010000091
步骤(2)固溶处理升温
升温速度为
Figure GDA0002743289010000092
式中：k＝1.05，α＝1.1，
Figure GDA0002743289010000093
v1＝2.48℃/min。
(3)固溶处理保温。保温分三个阶段：
第一段保温温度T1为555℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000094
t1＝21.83min；
第二段保温温度T2为535℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000095
t2＝76.43min；
第三段保温温度T3为545℃，保温时间为t3＝3kαη，t3＝19.37min；
从第一段保温555℃到第二段保温535℃，采用炉冷的方法降温；从第二段保温535℃到第三段保温545℃，升温速度用V2表示，
Figure GDA0002743289010000096
v2＝0.62℃/min。
步骤(4)淬火，且淬火前水温55℃。
步骤(5)淬火后停留2.5小时。
步骤(6)人工时效升温。升温速度v1＝2.48℃/min。
步骤(7)人工时效保温，保温分两个阶段：
第一段保温温度T1 *为210℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000097
第二段保温温度T2 *为175℃，保温时间为
Figure GDA0002743289010000098
采用T6热处理，即tp＝60，t2 *＝98.74min。从第一段保温到第二段保温采用炉冷的方法降温。第二段保温时间结束后铸件出炉空冷；
通过计算本实施例2实验工艺参数见表6所示：
表6本实施例2工艺参数
Figure GDA0002743289010000101
T6热处理后铸件的微观组织见图5所示。经过检测，抗拉强度为340MPa，断后延伸率11％；表7为本发明技术效果与现有技术效果的比较。可以清楚地看到，本发明在固溶处理保温和人工时效保温时间大大缩短，而力学性能有所提高：
表7为本发明与现有技术效果的比较
Figure GDA0002743289010000102
Figure GDA0002743289010000111
注：ZL101A铝合金相对应的美国牌号为A356。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)检测铸件，检测内容包括：
检测制备结束时半固态浆料的温度，采用Scheil公式换算出半固态浆料的固相率f1；
检测化学成分，记录Si的含量(质量百分数)；
测量有效壁厚，用δ表示，单位为mm；
测量α1(Al)晶粒的平均当量直径，用d表示，单位为μm；
步骤(2)固溶处理升温；
步骤(3)固溶处理保温，其分三个阶段，每个阶段的保温温度分别为T1、T2和T3，保温时间分别为t1、t2和t3，温度单位为℃，时间单位为min；
步骤(4)淬火；
步骤(5)停留，淬火后停留2～3小时；
步骤(6)人工时效升温；
步骤(7)人工时效保温，分两个阶段，每个阶段的保温温度分别为T1 *和T2 *，保温时间分别为t1 *和t2 *，温度单位为℃，时间单位为min；
步骤(8)保温时间结束后铸件出炉空冷；
步骤(2)固溶处理升温速度为v1，
Figure FDA0002743286000000011
单位为℃/min，式中各个符号的含义：
k——装炉系数，取1～1.5；
α——加热系数,单位为min/mm，α为1～1.3；
η——折算壁厚，单位为mm，当δ≤5时，η＝5；当δ＞5时，
Figure FDA0002743286000000012
2.根据权利要求1所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(3)中第一段保温温度T1为555℃，保温时间为
Figure FDA0002743286000000013
式中，f2为α2(Al)的固相率，
Figure FDA0002743286000000014
CSi为铝硅合金中Si的含量。
3.根据权利要求2所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(3)中第二段保温温度T2为535℃，保温时间为
Figure FDA0002743286000000021
4.根据权利要求3所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(3)中第三段保温温度T3为545℃，保温时间为t3＝3kαη。
5.根据权利要求4所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：从第一段保温T1到第二段保温T2，采用炉冷的方法降温；从第二段保温T2到第三段保温T3，升温速度为v2，
Figure FDA0002743286000000022
单位为℃/min。
6.根据权利要求1所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(6)人工时效升温速度为v3，
Figure FDA0002743286000000023
单位为℃/min。
7.根据权利要求1所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(7)中第一段保温温度T1 *为210℃，保温时间为
Figure FDA0002743286000000024
8.根据权利要求7所述一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(7)中第二段保温温度T2 *为175℃，保温时间为
Figure FDA0002743286000000025
单位为min，0≤tp≤60；当tp＝0时，相当于T5热处理；当tp＝60时，相当于T6热处理；从第一段保温到第二段保温采用炉冷的方法降温。
9.根据权利要求1所述的一种半固态铝硅合金压铸件强韧化的热处理方法，其特征在于：步骤(4)的淬火为水淬，淬火前水温50～60℃。
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