CN111500952B - 一种铸造成型zl101a铝合金热等静压处理工艺方法 - Google Patents

一种铸造成型zl101a铝合金热等静压处理工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，属于铝合金铸造及热处理技术领域，解决了现有技术中铸造成型ZL101A铝合金材料内部存在缺陷，影响材料疲劳性能以及热等静压后再单独进行热处理，生产工序多，周期长的问题。一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，工艺方法包括步骤1：ZL101A铝合金铸件铸造；步骤2：将ZL101A铝合金铸件在热等静压设备中进行热等静压处理；热等静压处理包括依次进行升温升压、高温段保温保压、保压快速冷却、低温段保温保压和降温降压。本发明实现了ZL101A铝合金材料强度和抗疲劳力学性能的提高，缩短了常规热等静压处理铸造铝合金的生产周期，节约生产成本。

Description

一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法
本发明涉及铝合金铸造及热处理技术领域，尤其涉及一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法。
背景技术
随着制造业的高速发展，对材料强度、韧性以及抗疲劳的性能要求越来越高。在航空航天等高精尖领域，传统的铸造、固溶以及时效工艺往往无法满足材料的使用要求，需要通过热等静压处理来消除铸件的疏松和气孔等缺陷来进一步提升材料的综合力学性能。热等静压工艺是将制品放于密闭容器中，用氮气、氩气等惰性气体为传压介质，在高温和高压共同作用下对制品施加各向同等的压力，将制品进行压制烧结处理的工艺技术。由于被处理工件各向均匀受压，在高温高压的共同作用下，产品致密度高、均匀性好、性能优异。由于热等静压处理可显著改善铸件的疏松、缩孔等缺陷，提高铸件产品各项性能，被国外学者冠以“铸件的伟大拯救者”的称谓。随着热等静压设备制造能力的提升，目前国内外先进热等静压设备都已具备快冷技术，为热等静压处理提供了更为宽广的工艺选择空间。
ZL101A铝合金在铸造成型后通过固溶、淬火与时效处理在铝基体周围形成细小均匀的金属间化合物弥散相，对位错运动起到钉扎作用而使铝合金具有较高的强度和韧性。ZL101A材料广泛应用于汽车制造和航空航天等领域。
铸件不经过热等静压处理内部易出现疏松、缩孔和气孔等缺陷，影响产品的力学性能，尤其是疲劳性能，严重影响铸件的使用寿命，使用过程中存在安全隐患。目前应用热等静压处理铝合金铸件的常规流程为铸造厂铸造、外委热等静压处理、回铸造厂进行固溶与人工时效的热处理。该流程生产工序多，周期长。传统淬火处理工艺中多采用水冷淬火，工艺可控性差，高温段冷却速率快，铝合金易产生应力集中，导致铝合金材料力学性能和腐蚀性能降低，且经验表明，工件从铸造到时效处理的停滞时间越长，后期产品的室温力学性能越差。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，用以解决现有技术中以下问题之一：(1)铸造成型ZL101A铝合金材料内部存在缺陷，影响ZL101A铝合金材料抗疲劳性能；(2)ZL101A铝合金铸件热等静压后再单独热处理，生产工序多，周期长。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，工艺方法包括如下步骤：
步骤1：ZL101A铝合金铸件砂型铸造；
步骤2：将ZL101A铝合金铸件在热等静压设备中进行热等静压处理，热等静压处理包括依次进行升温升压、高温段保温保压、保压快速冷却、低温段保温保压和降温降压。
进一步，步骤2中，升温升压过程的升温速率为0.05～0.20K/s，升温至520～550℃。
进一步，步骤2中，升温升压过程的压力升高至70～80MPa停止加热，开始高温段保温保压。
进一步，高温段保温保压时间为1.5～6.5h。
进一步，步骤2中保压快速冷却过程的冷却速率为1.0～4.0K/s。
进一步，保压快速冷却过程中，铸件冷却降温至170～180℃。
进一步，保压快速冷却过程中，压力控制在70～80MPa。
进一步，低温段保温保压时间2～8h，压力控制在70～80MPa，低温段保温保压后进行降温降压。
进一步，铸件进行降温降压，铸件随热等静压设备自然降温，终点压力为常压。
进一步，步骤1中铸件铸造采用砂型铸造工艺，铝合金锭作为原材料，添加Al-10Sr合金为变质剂，将铝合金锭置于石墨坩埚中熔化，铝合金锭全部熔化为铝液，铝液温度控制在730℃～750℃进行精炼除气；铝液除气后静置5～15min后降温至700～720℃，将铝液浇注成铸棒；
进一步地，变质剂Al-10Sr合金中Sr含量控制在0.02wt％～0.04wt％。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明提供的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，将ZL101A铝合金铸件直接在热等静压设备中进行热等静压处理，将传统工艺中的铸造、热等静压致密化处理、固溶、淬火、人工时效的工艺简化为铸造与热等静压处理的新工艺，省去了对铸件单独进行固溶、淬火与人工时效的过程，节约了铸件的生产周期，节约生产成本。
2、本发明提供的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，采用热等静压处理工艺，经过70～80MPa的高温段保压过程与保压快速冷却过程，控制降温速度在1.0～4.0K/s，低于ZL101A铝合金铸件的临界冷却速率，在高压作用下降低了ZL101A铝合金的淬火敏感性，降低淬火临界冷却速率，能够防止快速冷却在铸件内产生内应力，减小了铸件内部的气孔与缩孔率，提升了铸件的抗疲劳性能，增加了铸件的使用寿命与安全性。
3、本发明提供的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，铝合金在固溶处理后直接转入淬火处理，没有淬火转移时间，避免ZL101A铝合金中金属脱溶析出，获得高过饱和固溶体，为时效合金的强度提升奠定基础。
4、本发明提供的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法是在没有冷却到室温的情况下，铝合金经保压快速冷却降温至170～180℃后直接进行低温段保温保压(人工时效)，避免合金元素在室温预时效过程中发生预析出现象，有效提高合金的力学性能。
5、本发明提供的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法减小了铸件内部的气孔与缩孔率，提升了铸件的抗疲劳性能，增加了铸件的使用寿命与安全性。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为热等静压处理前ZL101A铝合金材料荧光渗透图片；
图2为热等静压处理后ZL101A铝合金材料荧光渗透图片。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明公开了一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，制备方法如下：
步骤1：ZL101A铝合金铸件铸造；
ZL101A铝合金铸件铸造采用呋喃树脂砂铸造成型，铝合金锭作为原材料，添加Al-10Sr合金为变质剂，将铝合金锭置于石墨坩埚中熔化，铝合金锭全部熔化为铝液，铝液温度控制在730℃～750℃进行精炼除气；铝液除气后静置5～15min后降温至700～720℃，将铝液浇注成直径为铸棒(示例性地，铸棒直径为20mm)。变质剂Al-10Sr合金中Sr含量控制在0.02wt％～0.04wt％。
步骤2：将ZL101A铝合金铸件在热等静压设备中进行热等静压处理。
具体的，热等静压处理包括：
步骤21：ZL101A铝合金铸件升温升压；
ZL101A铝合金铸件置于热等静压设备的密闭工作腔体内进行升温升压过程。铸件升温速率控制在0.050～0.20K/s，温度升高至520～550℃，铸件在热等静压设备腔体内升温的同时补充氩气，提高热等静压设备密闭腔体内的压力。热等静压设备腔体中压力升高至70～80MPa时停止升温升压。
步骤22：ZL101A铝合金铸件高温段保温保压；
ZL101A铝合金铸件在热等静压设备工作腔体中温度升高至520～550℃后停止升温，铸件开始高温段保温保压，控制热等静压设备中压力保持为70～80MPa。ZL101A铝合金铸件在520～550℃，压力70～80MPa下保温保压1.5～6.5h。ZL101A铝合金铸件在高温高压的作用下，铸件内部金属缺陷愈合，1.5～6.5h的保温时间可以消除铸件的内部缺陷，形成致密的铝合金材料。
在热等静压处理中，ZL101A铝合金各阶段相的溶解和析出是由Si和Mg两种合金元素的扩散驱动，合金元素的扩散系数随温度呈指数增长。固溶处理是在接近铝合金固相线的高温环境下进行，保证合金相元素能够充分溶解。因而，本发明中将ZL101A铝合金铸件温度升高至520～550℃进行高温段高温保温。
特别的，ZL101A铝合金铸件在热等静压设备中升温至520～550℃以及520～550℃的保温段，铸件中金属元素固溶于铝基体中。
特别的，520-550℃是热等静压保证缺陷愈合的有效温度，又是ZL101A铝合金的固溶温度。单纯从固溶处理考虑，升高温度和减少压力有利于合金内的可溶相充分溶解，消除铸件结晶凝固时因冷却温度不均所造成的内应力；但是从热等静压缺陷愈合角度出发，升高温度和升高压力有利于缺陷愈合。固溶处理温度上限不得超过合金最低固相线温度，温度过高会造成铸件过烧，使低溶点共晶和晶界复溶，严重影响铸件使用性能。
本发明中升温升压段温度-压力(温度520-550℃，压力70～80MPa)和高温段保温段保温时间(1.5～6.5h)，保证铸件内部缺陷愈合，又保证晶粒不发生长大现象，还可保证合金内金属元素可溶相充分溶解及有效消除铸造产生内应力。
步骤23：ZL101A铝合金铸件高压下的保压快速冷却；
ZL101A铝合金铸件高温段保温保压后进行保压快速冷却，冷却速率控制为1.0～4.0K/s，压力控制在70～80MPa，ZL101A铝合金铸件降温至170～180℃。
特别的，铸件在保压快速冷却时，热等静压设备中的压力依然保持在高压状态，由于高温高压时的缺陷愈合降低了铝基体中空位的数量，降低合金元素沿空位扩散的速度。同时，高压作用可以抑制铝基体中硅原子和镁原子的扩散，降低铸件的淬火敏感性，降低合金的临界冷却速率。
ZL101A铝合金的临界冷却速率大约为4K/s，在淬火处理时实际冷却速度大于临界冷却速率才能保证有足够数量的镁原子和硅原子保留在α铝基体中，进而在后序的人工时效阶段尽可能多的析出强化相。如果固溶处理后的淬火冷却速率较低，则在冷却过程中导致硅和镁元素预先析出，导致在铸件在低温段保温保压(人工时效)过程中可形成与强度相关的沉淀析出物数量减少，影响合金的力学性能。
需要说明的是，常规热处理时在固溶炉内完成固溶后，需要在极短的时间内完成淬火转移，转移时间过长会导致铸件内固溶元素析出，降低淬火完成时铝合金材料的过饱和度。本发明中保压快速冷却段是材料完成淬火的过程，保压降温完成即淬火完成，没有淬火转移时间，同时高压作用下抑制元素析出，降低材料的淬火敏感性，在较低的冷却速率下形成过饱和固溶体，防止因快速冷却产生内应力，影响材料的力学性能和腐蚀性能。
步骤24，ZL101A铝合金铸件保压快速冷却至170～180℃，铸件继续放置在热等静压设备的腔体中进行低温段保温保压。低温段保温保压(人工时效)，时间控制在2～8h。低温段温度控制在170～180℃，压力保持在70～80MPa。现有技术中常规热处理淬火完成后向人工时效炉转移时需在室温阶段停留一段时间，合金发生室温预时效现象，影响人工时效效果，降低材料的力学性能。本发明淬火完成后立刻转入人工时效，不进行室温段停留，不会发生室温预时效现象。
本发明中铸件在低温段保温保压后还进行降温降压，随热等静压设备自然降温降压进行铸件的降温降压，终点是压力是常压。
本发明通过将ZL101A铝合金铸件进行热等静压处理，如图1与图2所示，热等静压工艺消除了铝合金铸件内部气孔和缩孔，提高了铝合金铸件的致密度。在1.0～4.0K/s的冷却速度下由520～550℃降温到170～180℃后，铸件在热等静压设备内直接进行低温段保温保压，避免了ZL101A铝合金铸件进行人工时效转移过程中在室温阶段发生预时效现象，提高了铝合金的静态力学性能和抗疲劳性能。ZL101A铝合金铸件通过热等静压工艺过程中的高压来抑制合金元素扩散，降低铝合金的临界冷却速率，铸件经热等静压高温高压处理后，在一定压力下快速冷却至人工时效温度，经保压快速冷却后得到含镁和硅的过饱和α-Al固溶体，直接在热等静压炉内进行低温段保温保压(人工时效)。
实施例1
本实施例提供了一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，包括：
步骤1：ZL101A铝合金铸件铸造；
采用铝合金锭作为原材料，铝合金锭的成分如表1所示，呋喃树脂为原料制造砂型，添加Al-10Sr合金为变质剂，控制Sr含量约0.03％(wt)，将铝合金锭放置于石墨坩埚内熔化，待全部熔化后，温度控制在730℃～750℃进行精炼除气，除气后静置10min，降温至710℃浇注成直径为20mm铸棒。
表1：所用ZL101A铝合金成分
Figure BDA0002474070410000081
Figure BDA0002474070410000091
步骤2：ZL101A铝合金铸件热等静压处理；
ZL101A铝合金铸件由室温升温至540℃，升温速度为0.15K/s，在540℃和75MPa环境下保温保压2h，以1.2K/s的速度降温至175℃，冷却过程中压力控制在70～80MPa，冷却至175℃在热等静压炉内进行人工时效，人工时效时间4h。
实施例2
实施例2中采用如实施例1中相同的热等静压机与热等静压铸造ZL101A铝合金铸件的工艺，与实施例1不同的是，ZL101A铝合金铸件由室温升温至530℃，升温速度为0.12K/s，在540℃和80MPa环境下保温保压2h，以1K/s的速度降温至180℃，冷却过程中压力控制在70～80MPa，冷却至180℃在热等静压炉内进行人工时效，人工时效时间3h。
对比例1
采用传统的热处理工艺铸造铝合金材料的具体工艺如下：将ZL101A铸件置于热等静压设备中，铸件在热等静压设备中由室温升温至540℃，升温速度为0.15K/s，在540℃和75MPa环境下保温保压2h，以1.2K/s的速度降温至175℃，随炉冷却。铸件冷却至室温后，取出铸件，将铸件室温放置7d，进行人工时效，人工时效温度为175℃。
与实施例1相比，对比例1的铸件模拟现有技术中的热等静压处理方式，后续热处理工序单独进行，后续热处理在热等静压设备外进行。铸件热等静压处理后，随炉冷却，冷却至室温后，取出铸件，将铸件室温放置一段时间后进行人工时效，人工时效过程在时效炉内进行。
从表2中可以看出，该对比例1的铸件的强度明显低于实施例1和2。
对比例2
铸件采用对比例1中的铸造工艺，与对比例1不同的是：对比例2铸件不经过热等静压处理的工艺过程，铸件在传统的固溶炉中由室温升温至540℃，升温速度为0.15K/s，压力0.1MPa，在540℃保温2h，以1.2K/s的速度降温至175℃。将铸件进行人工时效，人工时效时间为175℃×4h。
与实施例1相比，对比例2中铸件的热处理过程不在热等静压设备中进行，而是在传统的固溶炉中进行，人工时效同样不在热等静压设备中进行。同时，对比例2中铸件的热处理过程均为常压，无实施例1中的高压保压过程，无法消除铸件中的内部缺陷。
从表2中可以看出，该对比文件2的铸件的强度明显低于实施例1和2，疲劳寿命比经热等静压处理的铸件低2个数量级。
为比较本发明专利的有益效果，对不同实例样品选取铸件相同位置，根据GB/T228.1进行拉伸试验，根据GB/T231.1进行硬度试验，根据GB/T3075进行轴向等幅力控制的环疲劳试验。其中σm＝0MPa，σa＝100MPa(R＝-1)。试验结果如表2。
表2实施例与对比例力学性能比较
Figure BDA0002474070410000101
Figure BDA0002474070410000111
本发明将ZL101A铝合金铸件在热等静压设备中进行热等静压处理，在热等静压设备中进行升温升压、高温段保温保压、保压快速冷却、低温段保温保压，完成人工时效，并通过对升温速率、压力、保温时间、降温速率的控制，将高温度段、快速冷却过程、低温段的压力控制在70MPa-80MPa，实现高温高压的作用下的铸件内部金属缺陷愈合，消除铸件的内部缺陷，形成致密的铝合金材料，保证合金相元素能够充分溶解，并消除铸件结晶凝固时因冷却温度不均所造成的内应力，从高温高压段保压降温完成淬火的过程，保压降温完成即淬火完成，没有淬火转移时间，同时高压作用下抑制元素析出，降低材料的淬火敏感性，在较低的冷却速率下形成过饱和固溶体，防止因快速冷却产生内应力，影响材料的力学性能和腐蚀性能。
本发明的铸件的屈服强度明显优于现有技术，屈服强度提高了近48％，抗拉强度提高了近28％，布氏硬度提高了近11％，性能得到了大幅度提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括如下步骤：
步骤1：ZL101A铝合金铸件铸造；
步骤2：将ZL101A铝合金铸件在热等静压设备中进行热等静压处理；
所述热等静压处理包括依次进行升温升压、高温段保温保压、保压快速冷却、低温段保温保压和降温降压；
所述步骤2中，升温升压过程的升温速率为0.05～0.20K/s，升温至520～550℃；
所述步骤2中，升温升压过程的压力升高至70～80MPa停止升压，开始高温段保温保压过程；
高温段保温保压时间为1.5～6.5h；
所述步骤2中保压快速冷却过程的冷却速率为1.0～4.0K/s；
保压快速冷却过程的铸件冷却终点温度为170～180℃；
保压快速冷却过程中，压力控制在70～80MPa；
保压快速冷却至170～180℃，进行低温段保温保压，低温段保温保压的时间为2～8h，压力保持70～80MPa；低温段保温保压后进行降温降压。
2.根据权利要求1所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，所述步骤2中，升温升压过程的升温速率为0.12～0.20K/s，升温至520～540℃。
3.根据权利要求1所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，所述步骤2中，升温升压过程的压力升高至75～80MPa停止升压，开始高温段保温保压过程。
4.根据权利要求3所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，高温段保温保压时间为2～6.5h。
5.根据权利要求1所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，所述步骤2中保压快速冷却过程的冷却速率为1.0～1.2K/s。
6.根据权利要求5所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，保压快速冷却过程的铸件冷却终点温度为175～180℃。
7.根据权利要求1所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，低温段保温保压的时间为3～8h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，随热等静压设备自然降温降压进行铸件的降温降压，终点压力为常压。
9.根据权利要求1-7任一项所述的铸造成型ZL101A铝合金热等静压处理工艺方法，其特征在于，所述步骤1中铸件铸造采用砂型铸造工艺，铝合金锭作为原材料，添加Al-10Sr合金为变质剂，将铝合金锭置于石墨坩埚中熔化，铝合金锭全部熔化为铝液，铝液温度控制在730℃～750℃进行精炼除气；铝液除气后静置5～15min后降温至700～720℃，将铝液浇注成铸棒。
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