CN116815081A - 一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，包括以下步骤：a)将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件；b)将步骤a)得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。与现有技术相比，本发明提供的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，通过特殊的热处理工艺流程及条件，实现整体较好的相互作用，能够有效消除铸件内部缺陷，提高卡钳关键部位的抗拉强度、硬度和刚性，改善切削性能，减少热裂现象，满足整体式卡钳铸件铝合金的使用性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金铸造技术领域，更具体地说，是涉及一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺。
背景技术
铝合金制动器卡钳是汽车制动系统中重要的零部件之一，它直接影响到汽车的安全性能和行驶性能。铝合金制动器卡钳通常采用低压铸造或者重力铸造工艺生产，重力铸造工艺具有高效、节能、环保等优点，能够生产出高质量、高强度、高韧性的铝合金制动器卡钳。
整体式卡钳是一种汽车制动系统的关键零件，它由卡钳体和一个卡钳支架构成，卡钳体和卡钳支架用螺栓固定，参见图1所示。整体式卡钳有着结构简单、重量轻、刚度高、制动效果好等特点，但也面临着铸造缺陷、热裂纹、切削加工困难等挑战。
目前，现有技术采用某EN AC-ALSi7Mg0.6材料，各元素重量百分比为：Si6.5～7.5％，Cu≤0.05％，Mg 0.5～0.7％，Fe≤0.15％，Ti≤0.2％，Mn≤0.1％，Zn≤0.07％，Pb≤0.05％，Sn≤0.05％，Ca≤0.01％，其他杂质元素≤0.03％，杂质元素总量≤0.1％，Al余量。执行DIN EN 1706：2021-10标准，重力铸造出来的整体式卡钳T6热处理后抗拉强度和屈服强度偏低，弹性模量偏小。
为了提高铸造铝合金的力学性能，目前常用的方法是通过添加合金元素进行合金化处理，或者采用特殊的铸造方式和工艺；但这些方法都会显著增加生产和管理的成本，且改进后的效果一般；因此，开发一种能够进一步提高力学性能且成本低的热处理工艺，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，能够有效消除铸件内部缺陷，提高卡钳关键部位的抗拉强度、硬度和刚性，改善切削性能，减少热裂现象，满足整体式卡钳铸件铝合金的使用性能要求。
本发明提供了一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，包括以下步骤：
a)将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件；
b)将步骤a)得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。
优选的，步骤a)中所述铝合金材料的化学成分，按重量百分比计为：
Si 6.5～7.5％，Cu≤0.05％，Mg 0.5～0.7％，Fe≤0.15％，Ti 0.1～0.2％，Mn0.08～0.2％，B≤0.03％，Zn≤0.07％，Pb≤0.05％，Sr 0.01～0.2％，其他杂质元素总量≤0.1％，Al余量。
优选的，步骤a)中所述铸造的过程具体为：
a1)将回炉料、结晶硅、工业纯铝锭、铝钛硼中间合金、铝锶中间合金按所述铝合金材料的各元素的含量计算各自的用量后，加入中频感应炉中熔炼；
a2)熔化后600℃～700℃时加入计算好用量的锰、铝钛硼合金，待完全熔融后用钟罩压入镁锭；
a3)熔化后750℃～800℃时用钟罩压入铝锶合金变质剂；
a4)升温使铝液温度保持在760℃～780℃，保温5min～15min取样分析，合格后，作旋转除气精炼处理；
a5)静置15min～20min后取样分析，进行调料；
a6)成分合格后，合金液温度为740℃～760℃进行浇注；
a7)将熔化后的铝合金液体倒入预热至200℃～300℃的整体式重力铸造卡钳模具中，并保持温度不低于250℃不高于300℃；
a8)将注满模具的铝合金液体在模具中自然冷却至20℃～30℃，并脱模得到整体式卡钳铸件。
优选的，步骤b)中所述固溶处理的温度为535℃～555℃，保温时间为8h～14h。
优选的，所述固溶处理的升温程序为：
先缓慢升温到500℃，用100min～120min的时间，然后保温30min～45min，再用20min～40min的时间升温到535℃～555℃进行固溶处理。
优选的，步骤b)中所述淬火处理的过程具体为：
将固溶处理后的整体式卡钳铸件迅速淬入50℃～99℃的水中，进行淬火处理1min～5min；同时，在淬火处理过程中，在水里加入0.5～1wt％的硅酸钠或硼酸钠。
优选的，步骤b)中所述时效处理的温度为165℃～180℃，保温时间为6h～9h。
优选的，所述时效处理的过程用90min～120min缓慢升温到165℃～180℃。
优选的，步骤b)中所述稳定化回火处理的温度为190℃～230℃，保温时间为4h～9h。
优选的，步骤b)中所述冷却的方式为自然冷却；所述冷却的温度为20℃～30℃。
本发明提供了一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，包括以下步骤：a)将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件；b)将步骤a)得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。与现有技术相比，本发明提供的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，通过特殊的热处理工艺流程及条件，实现整体较好的相互作用，能够有效消除铸件内部缺陷，提高卡钳关键部位的抗拉强度、硬度和刚性，改善切削性能，减少热裂现象，满足整体式卡钳铸件铝合金的使用性能要求。实验结果表明，该热处理工艺能够使整体式卡钳铸件铝合金的抗拉强度、硬度、刚性和耐腐蚀性能超过DIN EN 1706：2021-10标准的要求，且具有较好的重复性和可控性；同时具有成本低、效率高、环保等优势。
附图说明
图1为整体式卡钳的结构示意图；
图2为热处理工艺示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，包括以下步骤：
a)将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件；
b)将步骤a)得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。
本发明以下实施例提出了一种适用于整体式卡钳铸件铝合金的热处理工艺，通过特殊的热处理工艺步骤、条件及参数等(参见图2所示)，能够有效消除铸件内部缺陷，提高卡钳关键部位的抗拉强度、硬度和刚性，改善切削性能，减少热裂现象，满足整体式卡钳铸件铝合金的使用性能要求；同时，本发明具有操作简单、成本低、效果好等优点，适用于整体式卡钳铸件铝合金的热处理工艺。
本发明首先将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件。
在本发明中，所述铝合金材料的化学成分，按重量百分比计优选为：
Si6.5～7.5％，Cu≤0.05％，Mg 0.5～0.7％，Fe≤0.15％，Ti0.1～0.2％，Mn0.08～0.2％，B≤0.03％，Zn≤0.07％，Pb≤0.05％，Sr 0.01～0.2％，其他杂质元素总量≤0.1％，Al余量；其中，其他杂质元素均≤0.03％。本发明是在AC-ALSi7Mg0.6材料合金成分的基础上进行改进，确定上述整体式卡钳铸造铝合金的化学成分，配合后续特殊的热处理工艺步骤、条件及参数，能够实现整体较好的相互作用，使重力铸造整体式卡钳铸件具有高强度、高韧性、和高弹性模量等优良的力学性能。
本发明将上述铝合金材料采用通常的铸造Al-Si合金的冶炼方法即可制备；所述铸造的过程优选具体为：
a1)将回炉料、结晶硅、工业纯铝锭、铝钛硼中间合金、铝锶中间合金按所述铝合金材料的各元素的含量计算各自的用量后，加入中频感应炉中熔炼；
a2)熔化后600℃～700℃时加入计算好用量的锰、铝钛硼合金，待完全熔融后用钟罩压入镁锭；
a3)熔化后750℃～800℃时用钟罩压入铝锶合金变质剂；
a4)升温使铝液温度保持在760℃～780℃，保温5min～15min取样分析，合格后，作旋转除气精炼处理；
a5)静置15min～20min后取样分析，进行调料；
a6)成分合格后，合金液温度为740℃～760℃进行浇注；
a7)将熔化后的铝合金液体倒入预热至200℃～300℃的整体式重力铸造卡钳模具中，并保持温度不低于250℃不高于300℃；
a8)将注满模具的铝合金液体在模具中自然冷却至20℃～30℃，并脱模得到整体式卡钳铸件。
得到所述整体式卡钳铸件后，本发明将得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为535℃～555℃，更优选为540℃，保温时间优选为8h～14h，更优选为12h。
在本发明中，所述固溶处理的升温程序优选为：
先缓慢升温到500℃，用100min～120min的时间，然后保温30min～45min，再用20min～40min的时间升温到535℃～555℃进行固溶处理；
更优选为：
先缓慢升温到500℃，用100min～120min的时间，然后保温35min～45min，再用30min的时间升温到540℃进行固溶处理；得到固溶处理后的整体式卡钳铸件。
在上述过程中，优选在炉子里注入惰性气体(比如氩气)，能够减少合金里其他容易挥发的元素挥发和气孔的产生。
本发明采用了一种特殊的固溶处理温度和时间，使铝合金卡钳中可溶相充分溶解并固定在基体中，同时避免了过高温度导致的晶粒粗化和过长时间导致的析出，通过在固溶处理过程中通入惰性气体，可以减少合金中其他易挥发元素的挥发和气孔的形成，保持合金成分的均衡和合金强度的稳定。
在本发明中，所述淬火处理的过程优选具体为：
将固溶处理后的整体式卡钳铸件迅速淬入50℃～99℃的水中，进行淬火处理1min～5min；同时，在淬火处理过程中，在水里加入0.5～1wt％的硅酸钠或硼酸钠，以抑制硅相的析出和合金的脆化，增强合金的韧性和延展性；
更优选为：
将固溶处理后的整体式卡钳铸件迅速淬入55℃～65℃的水中，进行淬火处理2min～4min；同时，在淬火处理过程中，在水里加入0.5～1wt％的硅酸钠；得到淬火处理后的整体式卡钳铸件。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为165℃～180℃，更优选为175℃，保温时间优选为6h～9h，更优选为8h。
在本发明中，所述时效处理的过程优选用90min～120min缓慢升温到165℃～180℃，更优选用100min～110min缓慢升温到175℃；得到时效处理后的整体式卡钳铸件。
本发明采用了一种特殊的时效处理温度和时间，使铝合金卡钳中过饱和固溶体分解并析出细小均匀的强化相，同时避免了过低温度导致的时效不足和过高温度导致的过时效，提高了铸件的强度和韧性。
在本发明中，所述稳定化回火处理的温度优选为190℃～230℃，更优选为210℃，保温时间优选为4h～9h，更优选为6h；得到稳定化回火处理后的整体式卡钳铸件。
本发明采用了一种特殊的稳定化回火处理，使铝合金卡钳中强化相稳定化，防止了高温工作条件下的相变和尺寸变化，同时提高了铝合金卡钳的抗应力腐蚀能力。
在本发明中，所述冷却的方式优选为自然冷却；所述冷却的温度优选为20℃～30℃。
在重力铸造过程中，由于铝合金卡钳结构复杂、壁厚不均匀、冷却速度不一致等原因，容易产生气孔、缩松缩孔、内应力等内部缺陷，影响铸件的力学性能和使用寿命；为了消除这些缺陷，本发明对铝合金卡钳进行热处理工艺，以改善其组织结构和性能。不同的热处理工艺对铝合金卡钳的性能有不同的影响，需要根据铝合金卡钳的材料成分、结构特点、使用要求等因素进行选择和优化；目前，对于整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺的研究还不够深入，缺乏一种适用于整体式卡钳铸件铝合金的热处理工艺；而本发明采用改进的ENAC-ALSi7Mg0.6材料作为原料，通过特定的热处理工艺步骤、条件及参数，可以有效地消除铸件内部应力，改善金相组织，细化晶粒，提高卡钳关键部位的力学性能和硬度。经过该工艺处理后，卡钳关键部位的抗拉强度从要求的315MPa提升到340MPa(均值)，屈服强度从要求的240MPa提升到293MPa(均值)，硬度均值提升到120HBW，弹性模量均值提升到78GPa，满足整体式卡钳铸件铝合金的使用性能要求。同时，该热处理工艺根据整体式卡钳铸件铝合金的组织特点和使用条件，采用了特殊的热处理条件及参数，能够有效提高整体式卡钳铸件铝合金的综合性能，且与现有技术相比，具有成本低、效率高、环保等优势。
本发明提供了一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，包括以下步骤：a)将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件；b)将步骤a)得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。与现有技术相比，本发明提供的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，通过特殊的热处理工艺流程及条件，实现整体较好的相互作用，能够有效消除铸件内部缺陷，提高卡钳关键部位的抗拉强度、硬度和刚性，改善切削性能，减少热裂现象，满足整体式卡钳铸件铝合金的使用性能要求。实验结果表明，该热处理工艺能够使整体式卡钳铸件铝合金的抗拉强度、硬度、刚性和耐腐蚀性能超过DIN EN 1706：2021-10标准的要求，且具有较好的重复性和可控性；同时具有成本低、效率高、环保等优势。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所述本发明铝合金材料的化学成分，按重量百分比计为：
Si6.65％，Cu 0.0054％，Mg 0.55％，Fe 0.079％，Ti0.138％，Mn 0.08％，B0.0298％，Zn 0.0062％，Pb≤0.003％，Sr 0.0155％，其他杂质元素总量≤0.1％，Al余量。
实施例
(1)采用重力铸造工艺生产出整体式卡钳铸件，其外形尺寸为330mm×300mm×170mm，毛坯重量4.2kg左右；
制备方法具体为：
①将回炉料、结晶硅、工业纯铝锭、铝钛硼中间合金、铝锶中间合金按本发明铝合金材料的各元素的含量计算各自的用量后，按顺序加入中频感应炉中熔炼；
②熔化后约650℃时加入计算好用量的锰、铝钛硼合金，待完全熔融后用钟罩压入镁锭；
③熔化后约780℃时用钟罩压入铝锶合金变质剂；
④升温使铝液温度保持在760℃～780℃，保温10分钟取样分析，合格后按工作合金通用工艺参数作旋转除气精炼处理；
⑤静置15min～20min后取样分析，必要时进行调料；
⑥成分合格后，合金液温度约750℃进行浇注；
⑦将熔化后的铝合金液体倒入预热至250℃左右的整体式重力铸造卡钳模具中，并保持温度不低于250℃不高于300℃；
⑧将注满模具的铝合金液体在模具中自然冷却至室温，并脱模得到整体式重力铸造铝合金卡钳毛坯件。
(2)将整体式卡钳铸件放入炉内，同时注入氩气，在540℃下保温12h，进行固溶处理，使铝合金中的可溶相充分溶解并固定在基体中；所述固溶处理的升温程序为：
先缓慢升温到500℃，用110min的时间，然后保温40min，再用30min的时间升温到540℃进行固溶处理。
(3)将固溶处理后的整体式卡钳铸件迅速淬入(快速浸入)60℃的水中，进行淬火处理3min，使铝合金中的过饱和固溶体得到保留，为后续的时效强化提供条件；同时，在淬火处理过程中，在水里加入1wt％的硅酸钠，防止硅相析出和合金变脆。
(4)将淬火处理后的整体式卡钳铸件放入炉内，用105min缓慢升温到175℃，然后在175℃下保温8h，进行时效处理，使铝合金中的过饱和固溶体分解并析出细小均匀的强化相，提高铸件的力学性能；
(5)将时效处理后的整体式卡钳铸件放入炉内，在210℃下保温6h，进行稳定化回火处理，使铝合金中的强化相稳定化，防止了高温工作条件下的相变和尺寸变化，同时提高了铝合金卡钳的抗应力腐蚀能力；
(6)将稳定化回火处理后的整体式卡钳铸件自然冷却至室温。
性能测试(湖南江滨机器厂理化室)：
将实施例热处理工艺后的材料取成直径φ5的标准拉伸试样，在型号WE-10ACMT-7105型电子万能材料试验力学试验机上，按GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》数据记录如下表1。
表1
整体式卡钳铸件热处理后的力学性能提升如下表2。
表2
实验结果表明，通过本发明提供的热处理工艺，能够有效消除铸件内部缺陷，提高铸件的力学性能和耐蚀性能，提升了卡钳关键部位强度，提高切削性能，抗拉强度从315MPa提升到341MPa(均值)，硬度从100HBW提升到120HBW(均值)，杨氏模量从75G提升到78G(均值)。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a)将铝合金材料进行铸造，得到整体式卡钳铸件；
b)将步骤a)得到的整体式卡钳铸件依次进行固溶处理、淬火处理、时效处理和稳定化回火处理，冷却后得到热处理后的整体式卡钳铸件。
2.根据权利要求1所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤a)中所述铝合金材料的化学成分，按重量百分比计为：
Si 6.5～7.5％，Cu≤0.05％，Mg 0.5～0.7％，Fe≤0.15％，Ti 0.1～0.2％，Mn 0.08～0.2％，B≤0.03％，Zn≤0.07％，Pb≤0.05％，Sr 0.01～0.2％，其他杂质元素总量≤0.1％，Al余量。
3.根据权利要求2所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤a)中所述铸造的过程具体为：
a1)将回炉料、结晶硅、工业纯铝锭、铝钛硼中间合金、铝锶中间合金按所述铝合金材料的各元素的含量计算各自的用量后，加入中频感应炉中熔炼；
a2)熔化后600℃～700℃时加入计算好用量的锰、铝钛硼合金，待完全熔融后用钟罩压入镁锭；
a3)熔化后750℃～800℃时用钟罩压入铝锶合金变质剂；
a4)升温使铝液温度保持在760℃～780℃，保温5min～15min取样分析，合格后，作旋转除气精炼处理；
a5)静置15min～20min后取样分析，进行调料；
a6)成分合格后，合金液温度为740℃～760℃进行浇注；
a7)将熔化后的铝合金液体倒入预热至200℃～300℃的整体式重力铸造卡钳模具中，并保持温度不低于250℃不高于300℃；
a8)将注满模具的铝合金液体在模具中自然冷却至20℃～30℃，并脱模得到整体式卡钳铸件。
4.根据权利要求1所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤b)中所述固溶处理的温度为535℃～555℃，保温时间为8h～14h。
5.根据权利要求4所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，所述固溶处理的升温程序为：
先缓慢升温到500℃，用100min～120min的时间，然后保温30min～45min，再用20min～40min的时间升温到535℃～555℃进行固溶处理。
6.根据权利要求1所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤b)中所述淬火处理的过程具体为：
将固溶处理后的整体式卡钳铸件迅速淬入50℃～99℃的水中，进行淬火处理1min～5min；同时，在淬火处理过程中，在水里加入0.5～1wt％的硅酸钠或硼酸钠。
7.根据权利要求1所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤b)中所述时效处理的温度为165℃～180℃，保温时间为6h～9h。
8.根据权利要求7所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，所述时效处理的过程用90min～120min缓慢升温到165℃～180℃。
9.根据权利要求1所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤b)中所述稳定化回火处理的温度为190℃～230℃，保温时间为4h～9h。
10.根据权利要求1所述的整体式卡钳铸件铝合金热处理工艺，其特征在于，步骤b)中所述冷却的方式为自然冷却；所述冷却的温度为20℃～30℃。
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