CN111910138A - 一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺 - Google Patents

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吴庆峰
赵朴瑞
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Abstract

本发明公开了一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，属于合金材料制备技术领域，包括以下步骤：S1、将铸造铝硅合金板材冷轧处理，厚度方向变形量为10％～40％；S2、将S1得到的铝合金板材在500～550℃热处理，水冷淬火至室温；S3、重复S1～S2轧制与退火工艺多次，得到总变形量为18％～90％的铝合金板材；本发明通过分步轧制结合热处理改善铝硅合金中微观组织，提高铝硅合金的力学性能。

Description

一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺。
背景技术
有色金属中，铝及铝合金是利用最为普遍的一类金属材料。但工业上的纯铝强度很低，故不适合用作承载的结构部件，通常在纯铝中加入一定比例的合金元素，从而得到强度高且铸造性能好的铝合金。铝合金按成型工艺可以分为铸造铝合金和变形铝合金两种，其中铸造铝合金是指用重力浇注或压铸等铸造方法制造零件或毛坯的铝合金。铸造铝合金中含有合金元素数量比较多，占总质量分数的5％-25％。铝合金拥有良好的铸造工艺性，在航空航天等行业有着非常广泛的应用。其中铝硅系合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀、耐磨、热胀系数小、热稳定性好、铸造性能好等一系列优点，应用最为广泛，在常用铝合金中占到了85％-90％。
铝硅合金的微观组织主要是由韧性好的α固溶体和硬脆的共晶硅相所组成。随着硅元素的添加量增大，组织中会出现粗大的针片状或板条状的共晶硅相，在起到提高耐磨性的同时，严重地割裂了铝基体相，使铝硅合金的强度和塑性下降。因此，改变硅相的形态，成为提高铝硅合金力学性能的一种有效途径。
目前通过改变硅相形态，进而提高铝硅合金力学性能的主要方法有：一是变质处理，使共晶硅相由板条状变成纤维状，可改善铝硅合金组织，但变质剂种类和工艺需要根据不同合金的具体情况来调整。二是添加合金元素，通过向铸造铝硅合金中引入Cu、Mg、Mn、Ti、Ni、Zr以及稀土元素等合金元素，对合金的回复再结晶、位错运动、析出相形核等方面产生一定影响，从而优化铸造铝硅合金的力学性能，但性能改善仍不佳。三是特种铸造，包括快速凝固和半固态铸造等，快速凝固通过以大于105K/s～106K/s的冷却速率使液态金属极快速凝固而晶粒不能充分长大，从而细化合金显微组织，但快速凝固的工艺过程复杂，制备成本高，在实际生产中应用较少。半固态铸造通过控制固液相变或是施加强烈电磁搅拌来抑制金属凝固过程中枝晶的生长或破碎已生成的枝晶，同样成本较高；四是剧烈塑性变形(SPD)，通过施加剧烈的塑性变形而使材料产生大的应变(可高达90％的应变)，应变集中区经退火再结晶处理后可得到微米甚至纳米级尺寸的晶粒。但由于合金太脆而无法在室温下强塑性变形，必须在高温下进行，这与α-Al晶粒的细化和位错的储存相制约。同时，该方法所需能耗较大，难以在工业生产中广泛应用。
由上述可知，现有的铸造铝硅合金力学性能调控工艺都存在一定的缺点，如何简单、有效地提高铸造铝硅合金力学性能还需要进一步研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，通过分步轧制结合热处理改善铝硅合金中微观组织，显著提高铝硅合金的力学性能。
本发明的目的是提供一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，包括以下步骤：
S1、在室温下，将铸造铝硅合金板材冷轧处理，厚度方向变形量为10％～40％；
S2、将S1得到的铝合金板材在500～550℃热处理，水冷淬火至室温；
S3、重复S1～S2轧制与退火工艺多次，得到总变形量为18％～90％的铝硅合金板材。
优选地，还包括：将S3得到的铝硅合金板材在150～230℃时效退火，水冷淬火至室温。
优选地，所述时效退火时间为0.5～12h。
优选地，在时效退火之前可将S3得到的铝硅合金板材通过冷轧进行预应变处理。
优选地，所述预应变处理的变形量≤90％。
优选地，S2中，所述热处理时间为1～120min。
优选地，S3中，重复S1～S2轧制与退火工艺1～3次。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)与背景技术中的方法相比，本发明采用分步轧制与退火的方法，在室温下，使得原有的初生α铝相通过再结晶得到了细化，使粗大的硅相明显细化，合金微观组织得到改善，力学性能提升；
(2)时效处理可引入加工硬化并促进纳米析出相的产生，进一步提高合金的强度，预应变处理可促进上述纳米析出相的产生；
(3)与现有方法相比，本发明方法简单，且能够有效地提高合金力学性能，适合推广应用。
附图说明
图1是实施例1和对比例1铸态合金微观组织图；
图2是实施例1、实施例4和对比例1的室温拉伸应力应变曲线；
图3是实施例5铝合金分步再结晶后不同时效处理时间的显微硬度变化曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明公开的方法适合铝硅系合金的分步热机械处理，下面仅以铝合金牌号ZL101为例，来具体说明本发明的方法。
实施例1
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，将商业ZL101合金5mm厚板材，利用轧机在室温将板材多道次轧制，厚度方向变形量为30％，然后，将轧制后的合金直接放入540℃热处理炉中进行再结晶退火，保温20min后取出，水冷淬火至室温。将冷却后的样品重复上述冷轧与再结晶退火过程2次，得到多步冷轧与再结晶处理得到厚度方向总变形量为51％的ZL101合金。
实施例2
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，将商业ZL101合金5mm厚板材，利用轧机在室温将板材多道次轧制，厚度方向变形量为30％，然后，将轧制后的合金直接放入520℃热处理炉中进行再结晶退火，保温20min后取出，水冷淬火至室温，将冷却后的样品重复上述冷轧与再结晶退火过程1次，得到多步冷轧与再结晶处理得到厚度方向总变形量为66％的ZL101合金。
实施例3
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
对实施例1得到的铝合金板材进行多道次冷轧，引入60％的变形量；然后，将轧制后的合金放入180℃的热处理炉中进行时效退火，保温2h后取出，水冷淬火至室温，得到分步轧制和时效热处理的ZL101合金。
实施例4
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，对实施例1得到的铝合金板材进行多道次冷轧，引入80％的变形量。然后，将轧制后的合金放入180℃的热处理炉中进行时效退火，保温2h后取出，水冷淬火至室温，得到分步轧制和时效热处理的ZL101合金。
实施例5
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
对实施例1得到的铝合金板材180℃条件下进行时效退火，分别保温1h、2h、3h、4h、5h后取出，水冷淬火至室温，得到分步轧制和不同时效热处理时间的ZL101合金。对其进行显微硬度测试，结果如图3所示，1小时时效后合金显微硬度提升13HV。
实施例6
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，将商业ZL101合金5mm厚板材，利用轧机在室温将板材多道次轧制，厚度方向变形量为10％，然后，将轧制后的合金直接放入500℃热处理炉中进行再结晶退火，保温120min后取出，水冷淬火至室温。将冷却后的样品重复上述冷轧与再结晶退火过程2次，得到多步冷轧与再结晶处理得到厚度方向总变形量为18％的ZL101合金。
实施例7
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，将商业ZL101合金5mm厚板材，利用轧机在室温将板材多道次轧制，厚度方向变形量为40％，然后，将轧制后的合金直接放入550℃热处理炉中进行再结晶退火，保温1min后取出，水冷淬火至室温。将冷却后的样品重复上述冷轧与再结晶退火过程2次，得到多步冷轧与再结晶处理得到厚度方向总变形量为90％的ZL101合金。
实施例8
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，对实施例1得到的铝合金板材进行多道次冷轧，引入90％应变。然后，将轧制后的合金放入230℃的热处理炉中进行时效退火，保温0.5h后取出，水冷淬火至室温，得到分步轧制和时效热处理的ZL101合金。
实施例9
一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，步骤如下：
首先，对实施例1得到的铝合金板材进行多道次冷轧，引入60％应变。然后，将轧制后的合金放入150℃的热处理炉中进行时效退火，保温12h后取出，水冷淬火至室温，得到分步轧制和时效热处理的ZL101合金。
对比例1
商业铸造铝合金ZL101板材。
上述实施例1～2、6～7制得的合金性能近似，实施例3～4、8～9制得的合金近似，下面仅以实施例1、4、5为例，对本发明方法制得的合金进行性能检测。
首先，我们对分步轧制540℃再结晶和铸态，即实施例1和对比例1的ZL101合金的微观组织进行对比，图1为对应的扫描电子显微镜图片。图中，对比例1铸态ZL101合金的组织由粗大的α基体和粗大的Si相组成。而实施例1中经过多步冷轧与540℃再结晶处理的ZL101合金Si颗粒明显细化，说明本发明的多步冷轧与退火工艺可以明显改善铸造铝合金的微观组织。
其次，我们对分步轧制540℃再结晶、预应变时效、铸态，即实施例1、实施例4、对比例1的铝合金的室温拉伸性能进行测试，图2为对应的拉伸应力应变曲线。说明本发明的多步冷轧与再结晶工艺可明显改善铸造铝合金的性能，获得具有优良塑性或强度的铝合金。进一步的，对比例1中铸态ZL101合金的抗拉强度为150MPa左右，实施例1中分步轧制540℃再结晶的样品抗拉强度提高至250MPa左右，经过预应变时效和直接时效后的样品抗拉强度达到了410MPa左右，实施例5没有经过预应变处理，对其进行显微硬度测试，结果如图3所示，1小时时效后合金显微硬度提升13HV；综上所述，本发明采用分步轧制与退火的方法，在室温下，使得原有的初生α铝相通过再结晶得到了细化，针状形态硅相的明显细化，合金微观组织得到改善，力学性能明显提升；时效处理可引入加工硬化并促进析出纳米析出相，进一步提高合金具有优异的强度，预应变处理可促进上述纳米析出相；本发明方法简单，可明显提升铸造铝合金的强度，获得具有优良综合力学性能的铝合金，适合推广应用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在室温下，将铸造铝硅合金板材冷轧处理，厚度方向变形量为10％～40％；
S2、将S1得到的铝硅合金板材在500～550℃热处理，水冷淬火至室温；
S3、重复S1～S2轧制与退火工艺多次，得到总变形量为18％～90％的铝硅合金板材。
2.根据权利要求1所述的铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，其特征在于，还包括：将S3得到的铝硅合金板材在150～230℃下进行时效退火处理。
3.根据权利要求2所述的铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，其特征在于，所述时效退火时间为0.5～12h。
4.根据权利要求2所述的铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，其特征在于，在时效退火处理之前可将S3得到的铝硅合金板材通过冷轧进行预应变处理，引入≤90％的变形量。
5.根据权利要求1所述的铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，其特征在于，S2中，所述热处理时间为1～120min。
6.根据权利要求1所述的铸造铝硅合金的分步热机械处理工艺，其特征在于，S3中，重复S1～S2轧制与退火工艺1～3次。
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