CN112962038B - 一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有色金属热处理技术领域，具体涉及一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺及其应用。通过对铝合金、镁合金进行一次超低温处理、温等静压固溶处理、二次超低温处理及时效处理等多工艺组合处理，大幅消减了铝合金组织中的气孔、缩松等铸造缺陷、残余应力、析出强化相分布更为弥散，时效强化效果更为理想，铝、镁铸态合金的强度与延伸率均明显提高。而且，该工艺步骤简单，可根据不同的铸态合金类型调整温等静压和超低温处理的工艺参数，有效解决铸态合金熔铸过程中气孔、缩松和残余应力等问题，大幅提高铝、镁铸态合金的微观组织和力学性能，对于扩大铝、镁铸态合金的工程应用具有重要的意义。

Description

一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺及其应用

技术领域

本发明涉及有色金属热处理技术领域，具体涉及一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

能源短缺和环境污染是当今世界的突出问题，减轻自身重量成为汽车、航空航天等领域减少环境污染和节约能源的有效方法。据统计汽车质量每降低100千克，油耗就可减少0.7升。在航空航天器中，结构件重量的降低带来燃油费用的减少，则是汽车工业的100倍。铝合金和镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、易于成形等优点，在航空航天、汽车电子等领域应用广泛。在汽车领域，铝合金和镁合金除可用作仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、变速箱外壳等外，还可用于发动机、汽车底盘等关键部位，在汽车领域具有广阔的应用前景。

在铝合计和镁合金工程化应用过程中，合金熔铸是不可或缺的关键环节，铸件的质量对铝合金和镁合金的工程化零部件具有显著影响。由于铝合金和镁合金自身的物理化学性质，极易产生铸造缺陷，导致铸件的机械性能降低。譬如：(1)铝合金和镁合金在熔铸过程中，都非常容易发生卷气，卷入的氮气泡和氢气泡受到的浮力较小，致使大量的氢和氮逸出困难，最终以气孔的形式残留在铸件中，气孔将成为铸件服役过程中的裂纹扩展源；(2)铝合金和镁合金在铸造过程中会发生体积收缩，若不能及时补缩，极易形成缩孔、缩松；(3)铝合金和镁合金在铸造过程中，由于不同部位凝固时间不一致，会产生较大残余热应力，甚至产生热裂，这个问题对于结构复杂的铸件尤其明显；

由上可知，由于铝合金和镁合金的物理特性与钢铁等金属材料差别较大，使得其熔铸过程中气孔、缩松和残余应力等问题非常突出，铸态组织极易产生各种缺陷，导致铸件性能降低。从保证铸件的完整性、制造工艺的合理性以及使用过程的可靠性等角度来看，这种由气孔、缩松缺陷和残余应力引发的工程组件变形断裂、失效等，已严重限制了铝合金和镁合金铸件的工程化应用。因此，如何有效消除各种铸造组织缺陷，有力增强铝合金和镁合金的铸件质量，提高其服役性能，已成为制约铝合金和镁合金工程化应用的瓶颈技术和急待解决的关键技术之一。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺及其应用，本工艺适用于可时效强化的铝合金或镁合金，对铝合金或镁合金铸件先进行一次超低温处理，再在合金固溶温度下进行温等静压处理，之后再进行二次超低温处理，最后进行时效强化处理，可大幅提升铝、镁合金铸件的机械性能。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺，具体包括：

(1)将需要处理的铝或镁等轻质合金放入密闭腔体中，将腔体环境温度逐渐冷却至超低温，进行第一次超低温处理；

(2)铝合金或镁合金第一次超低温处理完成后，将温度缓慢恢复至室温，再放入温等静压设备中，在合金材料固溶温度下通入惰性气体进行气体加压热处理；温等静压处理过程结束后，铝合金或镁合金随炉恢复至室温，释放惰性气体，降低腔体静压力，逐渐恢复至常压；静气压力降到常压后，将铝合金或镁合金快速转移浸入水中，直至其彻底冷却；

(3)铝合金或镁合金温等静压处理完成后，将腔体环境温度逐渐冷却，进行第二次超低温处理；

(4)铝合金或镁合金二次超低温处理结束后，将铝合金或镁合金放入时效炉中进行时效处理；

(5)时效过程结束后，将合金材料从时效炉中取出，空冷；

本发明第二方面提供上述铝、镁铸态合金的热处理强化工艺在铸态合金制备中的应用。本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：

(1)本发明公开了一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺，通过对铝合金、镁合金进行一次超低温处理、温等静压固溶处理、二次超低温处理及时效处理等多工艺组合处理，大幅消减了铝合金组织中的气孔、缩松等铸造缺陷、残余应力、析出强化相分布更为弥散，时效强化效果更为理想，铝、镁铸态合金的强度与延伸率均明显提高。

其中，第一次超低温处理主要基于体积收缩效应，使得原子间距减少，晶格产生收缩，孔洞缺陷尺寸减小，部分微小空隙甚至直接弥合，为下一步的温等静压处理打下基础；

温等静压处理使得铸件内部发生塑性流动扩散，微观组织孔洞发生粘结弥合，铸态组织更加均匀、致密，且由于气孔、缩松等缺陷所占空间在宏观上极为有限，故不会改变铸件的尺寸或外形。

第二次超低温处理的目的有两个，一是在材料内部产生很大的内应力，诱发大量位错和亚晶，在内应力作用下，位错发生增殖，通过自身的像话缠绕和钉扎提高了合金的强韧性，二是在超低温下还可获得大量的过饱和点缺陷(空位)，空位与溶质原子相互作用，使得下一步的时效析出相更加的弥散，体积分数增加。

时效强化是在第二次超低温处理的基础上进行，由于微观组织内部具有了更多的，位错和空位，更加有利于溶质原子的扩散，形成的强化相也更加的弥散，时效强化效果更加的理想。

(2)本发明步骤简单，可根据不同的铸态合金类型调整温等静压和超低温处理的工艺参数，有效解决铸态合金熔铸过程中气孔、缩松和残余应力等问题，大幅提高铝、镁铸态合金的微观组织和力学性能，对于扩大铝、镁铸态合金的工程应用具有重要的意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1(a)中ZL109铸态铝合金经本发明处理与对比例1(b)中经常规热处理后的拉伸性能对比。

图2为实施例2(a)中AZ91铸态镁合金经本发明处理与对比例2(b)中经常规热处理后的拉伸性能对比。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中铝、镁铸态合金熔铸过程中气孔、缩松和残余应力等问题非常突出，铸态组织极易产生各种缺陷，导致铸件性能降低，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺，具体包括：

(1)将需要处理的铝或镁等轻质合金放入密闭腔体中，将腔体环境温度逐渐冷却至超低温，进行第一次超低温处理；

(2)铝合金或镁合金第一次超低温处理完成后，将温度缓慢恢复至室温，再放入温等静压设备中，在合金材料固溶温度下通入惰性气体进行气体加压热处理；温等静压处理过程结束后，铝合金或镁合金随炉恢复至室温，释放惰性气体，降低腔体静压力，逐渐恢复至常压；静气压力降到常压后，将铝合金或镁合金快速转移浸入水中，直至其彻底冷却；

(3)铝合金或镁合金温等静压处理完成后，将腔体环境温度逐渐冷却至合金所需超低温，进行第二次超低温处理；

(4)铝合金或镁合金二次超低温处理结束后，将铝合金或镁合金放入时效炉中进行时效处理；

(5)时效过程结束后，将合金材料从时效炉中取出，空冷。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤(1)中，通过泵入液氮来控制腔体温度，温控精度为±1℃，降温速率控制在10～20℃/min，使得腔体温度可在室温至-190℃范围内进行调节；

在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤(1)中，第一次超低温处理的温度范围为-120～-180℃，超低温处理时间根据合金的类型来确定，当采用镁合金时，处理温度为5-7h，当采用铝合金时，处理温度为6-8h。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤(2)中，惰性气体为氩气或氮气，在通入惰性气体之前要先将真空度抽至10mPa以下；

在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤(2)中，在往腔体充入惰性气体的过程中，先将静气压力控制在70MPa左右，等合金所需固溶温度稳定后，再将静气压力调节至100～200MPa；

在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤(2)中，温等静压处理的时间根据合金的类型来确定，当采用镁合金时，处理温度为9-10h，当采用铝合金时，处理温度为4-5h。

在本发明的一个或多个实施方式中，所属步骤(2)中，水温不超过65℃，转移时间不超过20s；

在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤(3)中，降温速率控制在50～60℃/min，第二次超低温处理温度为-130～-190℃，处理的时间根据合金的类型来确定，当采用镁合金时，处理温度为15-17h，当采用铝合金时，处理温度为13-15h。

所述步骤(4)中，合金的时效处理工艺，依据不同牌号相应的国家标准或相关文献合理确定。

本发明第二方面提供上述铝、镁铸态合金的热处理强化工艺在铸态合金制备中的应用。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

利用本发明的热处理方法对ZL109铸态铝合金进行强化处理：

(1)将ZL109铝合金放入密闭腔体中，通入液氮，逐渐冷却至-165℃，降温速率为20℃/min，处理时间7h；

(2)超低温处理结束后，将温度缓慢恢复至室温，将ZL109铸态铝合金放入温等静压设备中，通入氮气加压，先将静气压力控制在70MPa，等处理温度稳定到495℃，将静气压力调至150MPa，处理时间4h；温等静压处理过程结束后，ZL109铝合金随炉恢复至室温，释放保护气体，降低腔体静压力，在此过程中温度保持不变；静气压力降到常压后，将ZL109铝合金快速转移浸入65℃的水中，转移时间不超过20s；

(3)ZL109铝合金温等静压处理完成后，进行二次超低温处理，将腔体环境温度以50℃/min的速度，快速冷却至-180℃，处理10h；

(4)二次超低温处理结束后，将ZL109铝合金放入时效炉中，时效处理温度180℃，处理时间14h；

(5)时效过程结束后，将合金材料从时效炉中取出，空冷；

处理结束后，对ZL109铝合金进行拉伸性能测试，抗拉强度达到了305.7MPa，测试结果如图1(a)所示。

实施例2

利用本发明的热处理方法对AZ91铸态镁合金进行强化处理：

(1)将AZ91镁合金放入密闭腔体中，通入液氮，逐渐冷却至-145℃，降温速率为15℃/min，处理时间6h；

(2)超低温处理结束后，将温度缓慢恢复至室温，将AZ91镁合金放入温等静压设备中，通入氮气加压，先将静气压力控制在70MPa，等处理温度稳定到410℃，将静气压力调至120MPa，处理时间10h；温等静压处理过程结束后，AZ91镁合金随炉恢复至室温，释放保护气体，降低腔体静压力，在此过程中温度保持不变；静气压力降到常压后，将AZ91镁合金快速转移浸入室温的水中，转移时间不超过20s；

(3)AZ91镁合金温等静压处理完成后，进行二次超低温处理，将腔体环境温度以50℃/min的速度，快速冷却至-170℃，处理8h；

(4)二次超低温处理结束后，将AZ91镁合金放入时效炉中，时效处理温度220℃，处理时间16h；

(5)时效过程结束后，将合金材料从时效炉中取出，空冷；

处理结束后，对AZ91镁合金进行拉伸性能测试，抗拉强度达到了285.9MPa，测试结果如图2(a)所示。

对比例1

依据国家标准GB/T 25745-2010，对同批次、同规格的ZL109铸态铝合金采用常规的热处理，495℃，固溶处理4h，水冷后在180℃下，时效处理时间14h。常规的热处理结束后，再对其进行拉伸性能测试，结果如图1(b)所示。在实施例1中得到的ZL109铸态铝合金抗拉强度达到了305.7MPa，而对比例1得到的ZL109抗拉强度只有247.6MPa，同实施例1相比，抗拉强度明显偏低。因此，与常规热处理方法相比，经本发明工艺处理的ZL109铸态铝合金拉伸性能得到显著提升。

对比例2

参考相关文献，对同批次、同规格的AZ91铸态镁合金采用常规的热处理，410℃，固溶处理10h，水冷后在220℃下，时效处理时间16h。常规热处理后，对其进行拉伸性能测试，结果如图2(b)所示。在实施例2中AZ91拉强度达到了285.9MPa，而对比例2得到的AZ91抗拉强度只有234.1MPa，同实施例1相比，抗拉强度明显偏低。因此，与常规热处理方法相比，经本发明工艺处理的AZ91铸态镁合金拉伸性能得到显著提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝、镁铸态合金的热处理强化工艺，其特征在于：具体包括：

(1)将需要处理的铝或镁轻质合金放入密闭腔体中，将腔体环境温度逐渐冷却至超低温，进行第一次超低温处理；

(2)铝合金或镁合金第一次超低温处理完成后，将温度缓慢恢复至室温，再放入温等静压设备中，在合金材料固溶温度下通入惰性气体进行气体加压热处理；温等静压处理过程结束后，铝合金或镁合金随炉恢复至室温，释放惰性气体，降低腔体静压力，逐渐恢复至常压；静气压力降到常压后，将铝合金或镁合金快速转移浸入水中，直至其彻底冷却；

(3)铝合金或镁合金温等静压处理完成后，将腔体环境温度逐渐冷却至合金所需超低温，进行第二次超低温处理；

(4)铝合金或镁合金二次超低温处理结束后，将铝合金或镁合金放入时效炉中进行时效处理；

(5)时效过程结束后，将合金材料从时效炉中取出，空冷；

所述步骤(3)中，第二次超低温处理温度为-130～-190℃，处理的时间根据合金的类型来确定，当采用镁合金时，处理时间为15-17h，当采用铝合金时，处理时间为13-15h。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，通过泵入液氮，来控制腔体温度，温控精度为±1℃，降温速率控制在10～20℃/min，使得腔体温度在室温至-190℃范围内进行调节。

3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，第一次超低温处理的温度范围为-120～-180℃，超低温处理时间根据合金的类型来确定，当采用镁合金时，处理时间为5-7h，当采用铝合金时，处理时间为6-8h。

4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，所述惰性气体为氩气或氮气，在通入惰性气体之前要先将真空度抽至10MPa 以下。

5.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，在往腔体充入惰性气体的过程中，先将静气压力控制在70MPa，等合金所需固溶温度稳定后，再将静气压力调节至100～200MPa。

6.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，温等静压处理的时间根据合金的类型来确定，当采用镁合金时，处理时间为9-10h，当采用铝合金时，处理时间为4-5h。

7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，水温不超过65℃，转移时间不超过20s。

8.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤(3)中，降温速率控制在50～60℃/min。

9.权利要求1-8任一项所述的铝、镁铸态合金的热处理强化工艺在铸态合金制备中的应用。

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