铸造铝合金热处理

1．铸造铝合金热处理的特点和目的前面提到，铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大，因而在热处理时也有所不同。前者保温时间长，一般都在2h以上，而后者保温时间短，有的只要几十分钟。因为金属型铸造、低压铸造、差压铸造的铸件是在比较大的冷却速度和压力下结晶凝固的，其结晶组织比石膏型铸造、砂型铸造的铸件细很多，故其热处理的保温时间也短很多。铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀，有异形截面或内通道等复杂结构形状，为保证热处理时不变形或开裂，有时还要设计专用夹具予以保护，并且淬火介质的温度也比变形铝合金高，故一般多采用人工时效来缩短热处理周期和提高铸件的性能。铸造铝合金热处理的目的是，提高力学性能和耐腐蚀性能，稳定尺寸，改善切削加工性和焊接性等工艺性能。因为许多铸态铝合金的力学性能都不能满足使用要求，除Al-Si系的ZL102、Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的铸造铝合金都要通过热处理来进一步提高铸件的力学性能和其他使用性能。其具体作用有以下几个方面：1）消除由于铸件结构（如壁厚不均匀、转接处厚大）等原因使铸件在结晶凝固时因冷却速度不均匀所造成的内应力；2）提高合金的强度和硬度，改善金相组织，保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能；3）稳定铸件的组织和尺寸，防止和消除高温相变而使体积发生变化；4）消除晶间和成分偏析，使组织均匀化。2．铸造铝合金热处理方法及操作技术要点（1）热处理方法铸造铝合金的热处理，目前有退火、淬火（固溶处理）、时效和循环处理等工艺，分述如下：1）退火。退火的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力，稳定加工件的形状和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si晶体球状化，改善合金的塑性。其工艺是：将铝合金铸件加热到280~300℃，保温2~3h，随炉冷却到室温，使固溶体慢慢发生分解，析出的第二质点聚集，从而消除铸件的内应力，达到稳定尺寸、提高塑性、减少变形的目的。热处理状态代号为T2。2）淬火。淬火也叫固溶处理或急冷处理。其工艺是：将铝合金铸件加热到较高的温度（一般在接近于共晶体的熔点，大多在500℃以上），保温2h以上，使合金内的可溶相充分溶解。然后，急速淬人60~100℃的水中，由于铸件受到急冷，使其在合金中得到最大限度溶解的强化相固定并保存到室温。3）时效。其工艺是：将经过淬火的铝合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷到室温，使过饱和的固溶体分解，让合金基体组织稳定。合金在时效过程中，大致需经过几个阶段：随着温度的上升和时间的延长，过饱和固溶体点阵内原子的重新组合，生成溶质原子富集区（称为G-PⅠ区）；随着G-PⅠ区消失，第二相原子按一定规律偏聚并生成G-PⅡ区，之后生成亚稳定的第二相（过渡相）；大量的G-PII区和少量的亚稳定相结合以及亚稳定相转变为稳定相、第二相质点聚集几个阶段。时效处理又分为自然时效和人工时效两大类。自然时效是在室温下进行时效强化的处理。人工时效又分为不完全人工时效、完全人工时效、过时效三种。①不完全人工时效。将铸件加热到150~170℃（较低温度下），保温3~5h，以获得较好的抗拉强度、良好的塑性和韧性，但耐蚀性降低。②完全人工时效。将铸件加热到175~185℃（较高温度下），保温5~24h，以获得足够的抗拉强度（即最高的硬度），但伸长率降低。③过时效。也称稳定化回火。其工艺是：将铸件加热到190～230℃，保温4~9h，使强度有所下降，塑性有所提高，以获得较好的抗应力腐蚀能力。4）循环处理。把铝合金铸件冷却到零下某个温度（如一50℃,—70℃或一195℃）并保温一定时间，再把铸件加热到350℃以下，使合金中的固溶体点阵反复收缩和膨胀，并使各相的晶粒发生少量位移，以使这些固溶体结晶点阵内的原子偏聚区和金属间化合物的质点处于更加稳定的状态，从而达到产品零件尺寸、体积更加稳定。这种反复加热、冷却的热处理工艺，即循环处理，仅适于处理在使用中要求尺寸很稳定、极精密的零件（如检测仪器上的某些零件）；一般铸件均不作这种处理。（2）热处理操作技术要点1）应根据铸件结构形状、尺寸、合金特性等制定的热处理工艺进行热处理。2）热处理前应检查热处理设备、辅助设备、仪表等是否合格和正常，炉膛各处的温度差是否在规定的范围之内（±5℃）。3）装炉前铸件应吹砂或冲洗，应无油污、脏物、泥土，合金牌号不应相混。4）形状易产生变形的铸件应放在专用的底盘或支架上，不允许有悬空的悬壁部分。5)检查铸件性能的单铸或附铸试棒应随工件一起同炉热处理，以真实反映铸件的性能。6)在保温期间应随时检查、校正炉膛各处温度，防止局部高温或烧化。7)在断电后短时间不能恢复时，应将在保温中的铸件迅速出炉淬火，等恢复正常后，再装炉、保温和进行热处理。8)在盐槽中淬过火的铸件，应在淬火后立即用热水冲洗，清除残盐，防止腐蚀。9)发现淬火后铸件变形，应立即予以校正。10）需要时效处理的铸件，应在淬火后0.5h内进行时效处理。11）如经热处理后发现性能不合格，可重复进行热处理，但次数不得超过两次。3．铸造铝合金热处理状态代号和工艺参数（1）铸造铝合金热处理状态代号、状态名称及其目的与应用见表2-29.（2）部分铸造铝合金热处理工艺参数常用铸造铝合金（27种）的热处理工艺参数，将在第6章作介绍，此处从略。除此之外的部分铸造铝合金热处理工艺参数，也是几十年生产实践的总结，现介绍如下，见表2-30。状态代号热处理状态名称目的与应用举例说明T1未经淬火的人工时效金属型或湿砂型铸造的合金，因冷却速度较快，已得到一定程度的过饱和固溶体，即有部分淬火效果。再进行人工时效，脱溶强化，则可提高硬度和强度，并改善切削加工性能用于处理承受载荷不大的硬模铸件对提高ZLl04、ZLl05等合金的强度比较有效时效温度约150～180℃，保温时间为1～24hT2退火消除铸件的内应力(铸造应力和机械加工引起的应力)，稳定铸件尺寸，并使A1-Si系合金的Si晶体球状化，提高其塑性用于要求使用过程中尺寸很稳定的铸件对A1．si系合金效果比较明显。铸件在铸造后或粗加工后常进行此处理。退火温度280～300℃，保温时间为2～4hT4淬火(固溶处理)，自然时效通过加热保温，使可溶相溶解，然后急冷，使大量强化相固溶在a．固溶体内，获得过饱和固溶体，以提高合金的硬度、强度及耐蚀性用于承受动载荷冲击作用的铸件对A1．Mg系合金为最终热处理；对需人工时效的其他合金则是预备热处理淬火温度约500～535℃，对Al-Mg系合金为435℃T5淬火+不完可获得较高的强度和屈服强度，提高塑性，时效温度低，保温时间全人工时效但耐蚀性会有所下降，特别是晶间腐蚀会有所增加用于承受高静载荷及使用温度不很高的铸件短。时效温度约150～170℃，保温时间为3~5hT6淬火+完全人工时效可获得最高的强度，而塑性稍有降低，耐蚀性也有所降低用于承受高静载荷而不受冲击作用的零件在较高温度和较长时间内进行。时效温度约175～185℃，保温时间5h以上T7淬火+稳定化回火(过时效)用来稳定铸件尺寸和组织，提高抗腐蚀(特别是抗应力腐蚀)能力，并保持较高的力学性能用于高温(300℃以下)工作的铸件最好在接近铸件工作温度的回火温度下进行回火温度为190～230℃保温时间4～9hT8淬火+软化回火使固溶体充分分解，析出的强化相聚集并球状化，以稳定铸件尺寸，提高合金的塑性，但抗拉强度有所降低用于要求高塑性的铸件回火温度比17更高，约230～270℃，保温时间3～6hT9循环处理用来进一步稳定铸件的尺寸形状。其反复加热和冷却的温度及循环次数要根据零件的工作条件和合金的性质来决定用于要求尺寸很精密、形状很稳定的铸件机械加工后冷处理温度—50℃、—70℃或—195℃，保持3~6h循环处理按具体条件而定合金热处理固溶处理(淬火)时效代号状态①加热温度／℃保温时间/h冷却介质及温度／℃加热温度／℃保温时间／h冷却附注T1———180±53～5空冷适合小载荷铸件T2———290±102～4消除应力使尺寸稳定ZLl03T5515±53～6水60～100175±53～5适于175℃工作的承受大载荷的铸件T7T8515±5510±53～65～6水60～100水60～100230±5330±53～53在中温工作的铸件要求高塑性的铸件ZLl06T1T517—515±5515±5—5～125～12—水80～100水80～100230±5150±5230±5838空冷—承受中等载荷的铸件ZLl08T1T6T7515±5515±56～83～8水40～80水40～80200±l0175±5230—25010～146～106～10空冷承受大载荷的铸件ZLll0T1T6480～4953～8水40～100210±10210±1010～168～12空冷活塞件T2290±103空冷—ZL202T6510±512水80～100155±5（S）175±5（J）10～147～14要求高强度高硬度的铸件T7510±53～5水80～100200～2503在高温下工作的铸件ZL209T6530±5538±50．510～18—水20～100—170±5—3～5空冷高强度高塑性的铸件ZL305T4435±5490±586—水80～100——————高载荷耐腐蚀的铸件①T1一T8含义见表2-29。4．铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防铝合金铸件热处理后常见的质量问题有：力学性能不合格、变形、裂纹、过烧等缺陷，对其产生原因和消除与预防办法分述如下。（1）力学性能不合格通常表现为退火状态伸长率（δ5）偏低，淬火或时效处理后强度和伸长率不合格。其形成的原因有多种：如退火温度偏低、保温时间不足，或冷却速度太快；淬火温度偏低、保温时间不够，或冷却速度太慢（淬火介质温度过高）；不完全人工时效和完全人工时效温度偏高，或保温时间偏长；合金的化学成分出现偏差等。消除这种缺陷，可采取以下方法：再次退火，提高加热温度或延长保温时间；提高淬火温度或延长保温时间，降低淬火介质温度；如再次淬火，则要调整其后的时效温度和时间；如成分出现偏差，则要根据具体的偏差元素、偏差量，改变或调整重复热处理的工艺参数等。（2）变形与翘曲通常在热处理后或随后的机械加工过程中，反映出铸件尺寸、形状的变化。产生这种缺陷的原因是：加热升温速度或淬火冷却速度太快（太激烈）；淬火温度太高；铸件的设计结构不合理（如两连接壁的壁厚相差太大，框形结构中加强筋太薄或太细小）；淬火时工件下水方向不当及装料方法不当等。消除与预防的办法是：降低升温速度，提高淬火介质温度，或换成冷却速度稍慢的淬火介质，以防止合金内产生残余应力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纤维等隔热材料包覆薄壁部位；根据铸件结构、形状选择合理的下水方向或采用专用防变形的夹具；变形量不大的部位，则可在淬火后立即予以矫正。（3）裂纹表现为淬火后的铸件表面用肉眼可以看到明显的裂纹，或通过荧光检查肉眼看不见的微细裂纹。裂纹多曲折不直并呈暗灰色。产生裂纹的原因是：加热速度太快，淬火时冷却太快（淬火温度过高或淬火介质温度过低，或淬火介质冷却速度太快）；铸件结构设计不合理（两连接壁壁厚差太大，框形件中间的加强筋太薄或太细小）；装炉方法不当或下水方向不对；炉温不均匀，使铸件温度不均匀等。消除与预防的办法是：减慢升温速度或采取等温淬火工艺；提高淬火介质温度或换成冷却速度慢的淬火介质；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔热材料；采用专用防开裂的淬火夹具，并选择正确的下水方向。（4）过烧表现为铸件表面有结瘤，合金的伸长率大大下降。产生过烧的原因是：合金中的低熔点杂质元素如Cd,Si,Sb等的含量过高；加热不均匀或加热太快；炉内局部温度超过合金的过烧温度；测量和控制温度的仪表失灵，使炉内实际温度超过仪表指示温度值。消除与预防的办法是：严格控制低熔点合金元素的含量不超标；以不超过3℃/min的速度缓慢升温；检查和控制炉内各区温度不超过±5℃；定期检查和校准温度测控仪表，确保仪表测温、示温、控温准确无误。(5)表面腐蚀表现为在铸件的表面出现斑