鑄造鋁合金熱處理

1、1鑄造鋁合金熱處理的特點和目的前面提到，鑄造鋁合金的金相組織比變形鋁合金的金相組織粗大，因而在熱處理時也有所不同。前者保溫時間長，一般都在2h以上，而后者保溫時間短，有的只要幾十分鐘。因為金屬型鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造的鑄件是在比較大的冷卻速度和壓力下結(jié)晶凝固的，其結(jié)晶組織比石膏型鑄造、砂型鑄造的鑄件細很多，故其熱處理的保溫時間也短很多。鑄造鋁合金與變形鋁合金的另一不同點是壁厚不均勻，有異形截面或內(nèi)通道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀，為保證熱處理時不變形或開裂，有時還要設(shè)計專用夾具予以保護，并且淬火介質(zhì)的溫度也比變形鋁合金高，故一般多采用人工時效來縮短熱處理周期和提高鑄件的性能。鑄造鋁合金熱處理的目的是，提高

2、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，穩(wěn)定尺寸，改善切削加工性和焊接性等工藝性能。因為許多鑄態(tài)鋁合金的力學(xué)性能都不能滿足使用要求，除Al-Si系的ZL102、Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的鑄造鋁合金都要通過熱處理來進一步提高鑄件的力學(xué)性能和其他使用性能。其具體作用有以下幾個方面：1）消除由于鑄件結(jié)構(gòu)（如壁厚不均勻、轉(zhuǎn)接處厚大）等原因使鑄件在結(jié)晶凝固時因冷卻速度不均勻所造成的內(nèi)應(yīng)力；2）提高合金的強度和硬度，改善金相組織，保證合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能；3）穩(wěn)定鑄件的組織和尺寸，防止和消除高溫相變而使體積發(fā)生變化；4）消除晶間和成分偏析，使組織均勻化。2鑄造鋁合金

3、熱處理方法及操作技術(shù)要點（1）熱處理方法鑄造鋁合金的熱處理，目前有退火、淬火（固溶處理）、時效和循環(huán)處理等工藝，分述如下：1）退火。退火的作用是消除鑄件的鑄造應(yīng)力和機械加工引起的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定加工件的形狀和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si晶體球狀化，改善合金的塑性。其工藝是：將鋁合金鑄件加熱到280300，保溫23h，隨爐冷卻到室溫，使固溶體慢慢發(fā)生分解，析出的第二質(zhì)點聚集，從而消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，達到穩(wěn)定尺寸、提高塑性、減少變形的目的。熱處理狀態(tài)代號為T2。2）淬火。淬火也叫固溶處理或急冷處理。其工藝是：將鋁合金鑄件加熱到較高的溫度（一般在接近于共晶體的熔點，大多在500以上），保溫2h以上

4、，使合金內(nèi)的可溶相充分溶解。然后，急速淬人60100的水中，由于鑄件受到急冷，使其在合金中得到最大限度溶解的強化相固定并保存到室溫。3）時效。其工藝是：將經(jīng)過淬火的鋁合金鑄件加熱到某個溫度，保溫一定時間出爐空冷到室溫，使過飽和的固溶體分解，讓合金基體組織穩(wěn)定。合金在時效過程中，大致需經(jīng)過幾個階段：隨著溫度的上升和時間的延長，過飽和固溶體點陣內(nèi)原子的重新組合，生成溶質(zhì)原子富集區(qū)（稱為G-P區(qū)）；隨著G-P區(qū)消失，第二相原子按一定規(guī)律偏聚并生成G-P區(qū)，之后生成亞穩(wěn)定的第二相（過渡相）；大量的G-P II區(qū)和少量的亞穩(wěn)定相結(jié)合以及亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相、第二相質(zhì)點聚集幾個階段。時效處理又分為自然時效

5、和人工時效兩大類。自然時效是在室溫下進行時效強化的處理。人工時效又分為不完全人工時效、完全人工時效、過時效三種。不完全人工時效。將鑄件加熱到150 170（較低溫度下），保溫3 5h，以獲得較好的抗拉強度、良好的塑性和韌性，但耐蝕性降低。完全人工時效。將鑄件加熱到175185（較高溫度下），保溫524h，以獲得足夠的抗拉強度（即最高的硬度），但伸長率降低。過時效。也稱穩(wěn)定化回火。其工藝是：將鑄件加熱到190230，保溫49h，使強度有所下降，塑性有所提高，以獲得較好的抗應(yīng)力腐蝕能力。4）循環(huán)處理。把鋁合金鑄件冷卻到零下某個溫度（如一50,70或一195）并保溫一定時間，再把鑄件加熱到350以下

6、，使合金中的固溶體點陣反復(fù)收縮和膨脹，并使各相的晶粒發(fā)生少量位移，以使這些固溶體結(jié)晶點陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，從而達到產(chǎn)品零件尺寸、體積更加穩(wěn)定。這種反復(fù)加熱、冷卻的熱處理工藝，即循環(huán)處理，僅適于處理在使用中要求尺寸很穩(wěn)定、極精密的零件（如檢測儀器上的某些零件）；一般鑄件均不作這種處理。（2）熱處理操作技術(shù)要點1）應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、合金特性等制定的熱處理工藝進行熱處理。2）熱處理前應(yīng)檢查熱處理設(shè)備、輔助設(shè)備、儀表等是否合格和正常，爐膛各處的溫度差是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)（5）。3）裝爐前鑄件應(yīng)吹砂或沖洗，應(yīng)無油污、臟物、泥土，合金牌號不應(yīng)相混。4）形狀易產(chǎn)生

7、變形的鑄件應(yīng)放在專用的底盤或支架上，不允許有懸空的懸壁部分。5)檢查鑄件性能的單鑄或附鑄試棒應(yīng)隨工件一起同爐熱處理，以真實反映鑄件的性能。6)在保溫期間應(yīng)隨時檢查、校正爐膛各處溫度，防止局部高溫或燒化。7)在斷電后短時間不能恢復(fù)時，應(yīng)將在保溫中的鑄件迅速出爐淬火，等恢復(fù)正常后，再裝爐、保溫和進行熱處理。8)在鹽槽中淬過火的鑄件，應(yīng)在淬火后立即用熱水沖洗，清除殘鹽，防止腐蝕。9)發(fā)現(xiàn)淬火后鑄件變形，應(yīng)立即予以校正。10）需要時效處理的鑄件，應(yīng)在淬火后0.5h內(nèi)進行時效處理。11）如經(jīng)熱處理后發(fā)現(xiàn)性能不合格，可重復(fù)進行熱處理，但次數(shù)不得超過兩次。3鑄造鋁合金熱處理狀態(tài)代號和工藝參數(shù)（1）鑄造鋁合金

8、熱處理狀態(tài)代號、狀態(tài)名稱及其目的與應(yīng)用見表2-29.（2）部分鑄造鋁合金熱處理工藝參數(shù)常用鑄造鋁合金（27種）的熱處理工藝參數(shù)，將在第6章作介紹，此處從略。除此之外的部分鑄造鋁合金熱處理工藝參數(shù)，也是幾十年生產(chǎn)實踐的總結(jié)，現(xiàn)介紹如下，見表2-30。狀態(tài)代號熱處理狀態(tài)名稱目的與應(yīng)用舉例說明T1未經(jīng)淬火的人工時效金屬型或濕砂型鑄造的合金，因冷卻速度較快，已得到一定程度的過飽和固溶體，即有部分淬火效果。再進行人工時效，脫溶強化，則可提高硬度和強度，并改善切削加工性能用于處理承受載荷不大的硬模鑄件對提高ZLl04、ZLl05等合金的強度比較有效時效溫度約150180，保溫時間為124hT2退火消除鑄件

9、的內(nèi)應(yīng)力(鑄造應(yīng)力和機械加工引起的應(yīng)力)，穩(wěn)定鑄件尺寸，并使A1-Si系合金的Si晶體球狀化，提高其塑性用于要求使用過程中尺寸很穩(wěn)定的鑄件對A1si系合金效果比較明顯。鑄件在鑄造后或粗加工后常進行此處理。退火溫度280300，保溫時間為24hT4淬火(固溶處理)，自然時效通過加熱保溫，使可溶相溶解，然后急冷，使大量強化相固溶在a固溶體內(nèi)，獲得過飽和固溶體，以提高合金的硬度、強度及耐蝕性用于承受動載荷沖擊作用的鑄件對A1Mg系合金為最終熱處理；對需人工時效的其他合金則是預(yù)備熱處理淬火溫度約500535，對Al-Mg系合金為435T5淬火+不完全人工時效可獲得較高的強度和屈服強度，提高塑性，但耐蝕

10、性會有所下降，特別是晶間腐蝕會有所增加用于承受高靜載荷及使用溫度不很高的鑄件時效溫度低，保溫時間短。時效溫度約150170，保溫時間為35hT6淬火+完全人工時效可獲得最高的強度，而塑性稍有降低，耐蝕性也有所降低用于承受高靜載荷而不受沖擊作用的零件在較高溫度和較長時間內(nèi)進行。時效溫度約175185，保溫時間5h以上T7淬火+穩(wěn)定化回火(過時效)用來穩(wěn)定鑄件尺寸和組織，提高抗腐蝕(特別是抗應(yīng)力腐蝕)能力，并保持較高的力學(xué)性能用于高溫(300以下)工作的鑄件最好在接近鑄件工作溫度的回火溫度下進行回火溫度為190230保溫時間49hT8淬火+軟化回火使固溶體充分分解，析出的強化相聚集并球狀化，以穩(wěn)定

11、鑄件尺寸，提高合金的塑性，但抗拉強度有所降低用于要求高塑性的鑄件回火溫度比17更高，約230270，保溫時間36hT9循環(huán)處理用來進一步穩(wěn)定鑄件的尺寸形狀。其反復(fù)加熱和冷卻的溫度及循環(huán)次數(shù)要根據(jù)零件的工作條件和合金的性質(zhì)來決定用于要求尺寸很精密、形狀很穩(wěn)定的鑄件機械加工后冷處理溫度50、70或195，保持36h循環(huán)處理按具體條件而定合金熱處理固溶處理(淬火)時效代號狀態(tài)加熱溫度保溫時間/h冷卻介質(zhì)及溫度加熱溫度保溫時間h冷卻附注T1180535空冷適合小載荷鑄件T22901024消除應(yīng)力使尺寸穩(wěn)定ZLl03T5515536水60100175535適于175工作的承受大載荷的鑄件T7T85155

12、51053656水60100水6010023053305353在中溫工作的鑄件要求高塑性的鑄件ZLl06T1T51751555155512512水80100水80100230515052305838空冷承受中等載荷的鑄件ZLl08T1T6T7515551556838水4080水4080200l017552302501014610610空冷承受大載荷的鑄件ZLll0T1T648049538水4010021010210101016812空冷活塞件T2290103空冷ZL202T6510512水801001555（S）1755（J）1014714要求高強度高硬度的鑄件T7510535水8010020

13、02503在高溫下工作的鑄件ZL209T653055385051018水20100170535空冷高強度高塑性的鑄件ZL305T44355490586水80100高載荷耐腐蝕的鑄件T1一T8含義見表2-29。4鑄造鋁合金熱處理質(zhì)量缺陷及其消除與預(yù)防鋁合金鑄件熱處理后常見的質(zhì)量問題有：力學(xué)性能不合格、變形、裂紋、過燒等缺陷，對其產(chǎn)生原因和消除與預(yù)防辦法分述如下。（1）力學(xué)性能不合格通常表現(xiàn)為退火狀態(tài)伸長率（5）偏低，淬火或時效處理后強度和伸長率不合格。其形成的原因有多種：如退火溫度偏低、保溫時間不足，或冷卻速度太快；淬火溫度偏低、保溫時間不夠，或冷卻速度太慢（淬火介質(zhì)溫度過高）；不完全人工時效和

14、完全人工時效溫度偏高，或保溫時間偏長；合金的化學(xué)成分出現(xiàn)偏差等。消除這種缺陷，可采取以下方法：再次退火，提高加熱溫度或延長保溫時間；提高淬火溫度或延長保溫時間，降低淬火介質(zhì)溫度；如再次淬火，則要調(diào)整其后的時效溫度和時間；如成分出現(xiàn)偏差，則要根據(jù)具體的偏差元素、偏差量，改變或調(diào)整重復(fù)熱處理的工藝參數(shù)等。（2）變形與翹曲通常在熱處理后或隨后的機械加工過程中，反映出鑄件尺寸、形狀的變化。產(chǎn)生這種缺陷的原因是：加熱升溫速度或淬火冷卻速度太快（太激烈）；淬火溫度太高；鑄件的設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理（如兩連接壁的壁厚相差太大，框形結(jié)構(gòu)中加強筋太薄或太細?。淮慊饡r工件下水方向不當及裝料方法不當?shù)?。消除與預(yù)防的辦法是

15、：降低升溫速度，提高淬火介質(zhì)溫度，或換成冷卻速度稍慢的淬火介質(zhì)，以防止合金內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纖維等隔熱材料包覆薄壁部位；根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、形狀選擇合理的下水方向或采用專用防變形的夾具；變形量不大的部位，則可在淬火后立即予以矯正。（3）裂紋表現(xiàn)為淬火后的鑄件表面用肉眼可以看到明顯的裂紋，或通過熒光檢查肉眼看不見的微細裂紋。裂紋多曲折不直并呈暗灰色。產(chǎn)生裂紋的原因是：加熱速度太快，淬火時冷卻太快（淬火溫度過高或淬火介質(zhì)溫度過低，或淬火介質(zhì)冷卻速度太快）；鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理（兩連接壁壁厚差太大，框形件中間的加強筋太薄或太細?。谎b爐方法不當或下水方向不對；爐溫不均勻，使鑄件

16、溫度不均勻等。消除與預(yù)防的辦法是：減慢升溫速度或采取等溫淬火工藝；提高淬火介質(zhì)溫度或換成冷卻速度慢的淬火介質(zhì)；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔熱材料；采用專用防開裂的淬火夾具，并選擇正確的下水方向。（4）過燒表現(xiàn)為鑄件表面有結(jié)瘤，合金的伸長率大大下降。產(chǎn)生過燒的原因是：合金中的低熔點雜質(zhì)元素如Cd, Si, Sb等的含量過高；加熱不均勻或加熱太快；爐內(nèi)局部溫度超過合金的過燒溫度；測量和控制溫度的儀表失靈，使爐內(nèi)實際溫度超過儀表指示溫度值。消除與預(yù)防的辦法是：嚴格控制低熔點合金元素的含量不超標；以不超過3/min的速度緩慢升溫；檢查和控制爐內(nèi)各區(qū)溫度不超過5；定期檢查和校準溫度測控儀表，確保儀表測溫、示溫、控溫準確無誤。(5)表面腐蝕表現(xiàn)為在鑄件的表面出現(xiàn)斑紋或塊狀等，其色澤與鋁合金鑄件表面明顯不同。產(chǎn)生這種缺陷的原因是：硝鹽液中氯化物含量超標（0.5%）而對鑄件表面（尤其是疏松、縮孔處）造成腐蝕；從硝鹽槽中取出后沒得到充分的清洗，硝鹽粘附在鑄件表面（尤其是窄縫隙、不通孔、通道中）造成腐蝕；硝鹽液中混有酸或堿，或者鑄件放在濃酸或濃堿附近受到腐蝕等。消除與預(yù)防的辦法是：盡量縮短鑄件從爐內(nèi)移到淬火槽中的時間；檢查硝鹽中氯化物的含量是否超標，如超標，則應(yīng)降低其含量，從硝