CN102433522A

CN102433522A - 一种用于a356合金的分级时效热处理方法

Info

Publication number: CN102433522A
Application number: CN2011103939944A
Authority: CN
Inventors: 杜军; 周明川; 李文芳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种用于A356合金的分级时效热处理方法。所述热处理方法包括高温固溶、自然时效、低温预时效、高温终时效后出炉空冷等环节。具体包括（1）将试样在545～555℃保温4～6小时后在60℃淬火；（2）再将试样在室温环境下放置12～36小时；然后将试样在80～120℃保温4～6小时后出炉空冷；（3）将试样再在160～170℃保温2～4小时后出炉空冷。与传统的固溶时效工艺相比，本发明工艺处理的A356铝合金的硬度无明显变化，抗拉强度可适当提高。但其延伸率明显改善，提高幅度可稳定在50％左右，且对于冲击韧性的改善作用尤为显著，可稳定提高1倍以上。

Description

一种用于A356合金的分级时效热处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于A356合金的分级时效热处理方法。

背景技术

铝合金是仅次于钢铁材料的第二大金属结构材料。与钢铁材料相比，铝合金具有比重轻，高比强等独特优势，在汽车“减重、节能和减排”中具有其它金属结构材料无可比拟的优势。但是，铝合金的绝对强度相对较低，如何进一步提高铝合金的强度、韧性等综合力学性能对于铝合金的推广应用甚为关键。利用合金化方法开发新型的高强韧性铝合金是重要的途径之一。除此之外，大部分铝合金可通过热处理控制和改变其基体组织，特别是可获得弥散分布的时效析出相从而改善铝合金的力学性能。

铝合金的热处理强化方法通常首先进行高温固溶后急冷获得过过饱和固容体，然后对过饱和固溶进行保温时效处理。在时效处理过程中，过饱和原理逐渐在铝基体的{1 0 0}晶面富集，形成过饱和原子富集区，通常称为GP[Ⅰ]，此时，铝母相晶格畸变，阻碍位错运动，硬度、强度升高。随着保温时间的逐渐延长，GP[Ⅰ]区不断增大并有序化，原子按一定的规律排列，形成GP[Ⅱ]区。GP[Ⅱ]区与母相{1 0 0}晶面共格，周围基体产生更大的畸变，位错运动的阻碍更大，强化效果提高。而随着过饱和原子在GP[Ⅱ]区进一步富集，形成一些金属间化合物的过渡相，此时过度相仍以母相{1 0 0}晶面共格，并在此过度相形成的初始阶段其硬度达到最大，又称为“峰时效”阶段。而随着过度相逐渐增多，共格关系破坏，完全共格变为局部共格，硬度开始下降——“过时效”。

在铝合金的时效热处理工艺中，各参数对最终性能的影响较大，且不同的合金类型其热处理参数相差较大。公开号为1680616A的中国专利公开了一种改善超高强铝合金强韧性的热处理工艺，该专利针对7055超高强铝合金(Al-Zn-Mg-Cu-Zr)，发明了一种先高温时效100～140℃保温30～120分钟后再进行40～80℃温度范围的低温时效处理。该工艺可在保持强韧性的同时进一步提升其韧性。公开号为101117679A的中国专利发明了一种高性能铝硅活塞合金材料及其活塞的热处理工艺，其合金其Si含量为12～13％，且含有较多和Cu、Ni、Mg等合金元素，并公开了一种适于该合金的170℃×6小时＋保温250℃×4～5小时的两级时效热处理工艺，该合金及其热处理后具有较高的高温性能。

在众多的铝合金牌号中，A356合金是一种常见的生产汽车轮毂的合金材料，其成分范围大约为6.5～7.5%Si、0.3～0.5%Mg，其余为铝，该合金为亚共晶Al-Si合金，相当于国内牌号ZL101A，其特点在于铸造性能较好，耐腐蚀性能较佳，综合力学性能较高。但作为轮毂材料，普遍存在热处理后性能不稳定，冲击韧性有待进一步提高等实际问题。A356合金的常规热处理工工艺为国标规定的T6处理，即固溶：535±5℃，6～12小时、时效：室温不少于8小时，再180±5℃，3～8小时。针对A356铝合金，公开号为1999779A的中国专利公开用于该合金的固溶时效工艺，即固溶550～560℃保温99～300分钟，时效140～155℃保温99～300分钟，和国标相比，其处理时间相对较短，和降低能耗和成本，但与普通工艺相比，其性能并无明显改善。申请公布号为101880844A的中国专利公开了一种与1999779A的中国专利相近的短时热处理工艺，即固溶525～550℃保温60～120分钟，时效165～180℃保温90～180分钟。该工艺与普通的T6工艺相比，其热处理时间可缩短一倍，而其组织仍可达到要求。公开号为101638759A的中国专利公开了一种A356铝合金车轮的分阶时效工艺，即固溶：540±5℃，250～290分钟，初级时效：130±5℃，60～90分钟，再时效170～200℃，60～80分钟。该专利所公开的热处理技术与传统工艺相比，其性能有明显改善，但是韧性不够好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高A356铝合金综合力学性能，特别是可显著改善其韧性的热处理方法。本发明方法将A356铝合金固溶处理经适当时间的自然时效，然后进行低温预时效后再进行高温终时效处理的多级时效热处理工艺。本发明基于铝合金时效相析出过程的基本原理，在低温预时效阶段形成高密度GP区，可为终时效阶段强化相此处提供足够的形核衬底，从而获得获得均匀、细小、弥散分布的时效析出相，并改善其力学性能，特别是其韧性。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

为实现本发明，并保证所有实验样品的成分一致性，本发明实施过程中的所有实验样品均取自同一A356铸锭。从铸锭取样后直接进行热处理，然后分别按国标GB/T2975加工成公称直径为6 mm的拉伸试样，而冲击试样的切取按照GB/T 2975的规定切取。

热处理的基本过程为高温固溶、自然时效、低温预时效、高温终时效后出炉空冷等环节。

一种用于A356合金的分级时效热处理方法，包括以下步骤：

（1）将试样在550～560℃保温2～6小时后淬火；

（2）再将试样在室温下放置12～36小时；然后将试样在80～120℃保温4～6小时出炉空冷；

（3）再将试样在160～170℃保温2～4小时后出炉空冷。

步骤（1）所述淬火是将将试样置于60℃的水中。

步骤（2）和（3）所述的保温在保温箱中进行。

发明人在实验研究中发现，在分级时效工艺中，初级时效即预时效阶段的温度和时间对其性能，特别是韧性的影响较大。从理论上分析，较低的预时效温度可有效放置时效过程中GP区长大，且提高GP区的形核率，为后续时效相的析出提供充足的形核衬底，从而保证时效析出相尺寸更小、分布更均匀。基于此，本发明提供了一种预时效温度较低的，可显著改善A356铝合金冲击韧性的分级时效热处理方法。

本发明相对于现有技术所具有得优点和有益效果：

与传统的固溶时效工艺相比，本发明工艺处理的A356铝合金的硬度无明显变化，抗拉强度可适当提高。但经本发明工艺处理的A356合金其延伸率可明显改善，提高幅度可稳定在50％左右，而对于冲击韧性的改善作用尤为显著，可稳定提高1倍以上。

附图说明

图 1 A356合金的铸态金相组织

图 2 经普通固溶时效处理的A356合金金相组织

图 3 经固溶后分级时效处理的A356合金金相组织。

具体实施方式

在陈述本发明的具体实施过程之前，首先给出利用传统的固溶时效热处理工艺方法和101638759A的中国专利所公开的技术参数对A356铝合金进行了处理的对比例，并测试其组织和性能。需要说明的是，对比例的目的仅仅在于更好地理解本发明的技术特点和有益效果。

对比例 1

本实施例采用标准的用于A356铝合金处理的普通T6固溶时效工艺，基本过程为高温固溶处理后将试样室温放置一段时间后高温时效处理。具体处理工艺为：将试样置于温度为535℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温5小时后迅速转移至进行温度为60℃的水槽淬火；然后将试样置于155℃的保温箱进行高温终时效处理，保温5小时后出炉空冷。

A356合金经该对比例处理前后其组织变化如图1和2所示。图1所示为A356合金在未处理前，即铸态的金相组织。图中呈网状分布的为共晶Si相，其余区域为基体Al相。经固溶时效处理后，共晶Si相仍呈网状分布，但是在固溶处理过程中因发生局部熔断及其扩散，使其由长条状逐渐转变为长条状或细小颗粒状。经普通固溶时效处理的A356合金的各项性能指标为：硬度68 HB、抗拉强度245 MPa、延伸率5.2％、冲击韧性4.7 J/cm²。

对比例 2

公开号为101638759A的中国专利曾公开了一种汽车铝合金车轮的分阶时效热处理工艺。其工艺过程为固溶、初级时效和再时效喷漆烘烤三个基本阶段。为对比说明本发明与该专利的不同以及效果，本对比例采用101638759A的中国专利公开的工艺参数处理对A356合金进行了对比。需要说明的是，该对比例中所使用的试样为从A356铸锭取样，而101638759A的中国专利实施中是直接从铝合金车轮取样。具体处理工艺为：将试样置于温度为540℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温250分钟后迅速转移至进行温度为55℃的水槽淬火；将固溶淬火试样置于温度为130℃的保温箱进行低温预时效处理，保温75分钟后出炉空冷；将低温预时效试样置于175℃的保温箱进行高温终时效处理，保温60分钟后出炉空冷。经该对比例处理后A356合金的组织特征与图2相近，其中共晶Si相主要表现为网状分布特征，且主要呈长条状或细小颗粒状。经该实施例处理后A356合金的各项性能指标为：硬度72 HB、抗拉强度256 MPa、延伸率6.4％、冲击韧性6 J/cm²。

对比例 3

该对比例的目的及其实施过程与对比例2相同。具体工艺处理工艺为：将试样置于温度为540℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温250分钟后迅速转移至进行温度为55℃的水槽淬火；将固溶淬火试样置于温度为130℃的保温箱进行低温预时效处理，保温75分钟后出炉空冷；将低温预时效试样置于175℃的保温箱进行高温终时效处理，保温60分钟后出炉空冷。经该对比例处理后A356合金的组织特征与图2相近，其中共晶Si相主要表现为网状分布特征，且主要呈长条状或细小颗粒状。各项性能指标为：硬度69 HB、抗拉强度257 MPa、延伸率5.6％、冲击韧性7.3 J/cm²。

为更好地理解本发明的技术特点，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，对比例和实施例并不是对本发明保护范围的限制。

实施例 1

本实施例采用固溶后分级时效热处理工艺，热处理的基本过程为高温固溶、自然时效、低温预时效、高温终时效后出炉空冷。具体处理工艺为：将试样置于温度为550℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温6小时后迅速转移至进行温度为60℃的水槽淬火；将固溶淬火试样在室温环境下放置12小时进行自然时效；然后将试样置于温度为120℃的保温箱进行低温预时效处理，保温4小时后出炉空冷；将低温预时效试样置于160℃的保温箱进行高温终时效处理，保温4小时后出炉空冷。A356合金经该实施例处理其金相组织如图3所示，其组织特征与图2所示的普通固溶时效处理后的组织特征相近，共晶Si相主要表现为网状分布特征，且主要呈长条状或细小颗粒状。各项性能指标为：硬度66 HB、抗拉强度260 MPa、延伸率7.6％、冲击韧性9.9 J/cm²。

实施例 2

本实施例采用固溶后分级时效热处理工艺，热处理的基本过程为高温固溶、自然时效、低温预时效、高温终时效后出炉空冷。具体处理工艺为：将试样置于温度为560℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温2小时后迅速转移至进行温度为60℃的水槽淬火；将固溶淬火试样在室温环境下放置24小时进行自然时效；然后将试样置于温度为80℃的保温箱进行低温预时效处理，保温6小时后出炉空冷；将低温预时效试样置于170℃的保温箱进行高温终时效处理，保温2小时后出炉空冷。经该实施例处理后A356合金的组织特征与2相近，而各项性能指标为：硬度67 HB、抗拉强度267 MPa、延伸率8.9％、冲击韧性11.2 J/cm²。

实施例 3

本实施例采用固溶后分级时效热处理工艺，热处理的基本过程为高温固溶、自然时效、低温预时效、高温终时效后出炉空冷。具体处理工艺为：将试样置于温度为555℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温3小时后迅速转移至进行温度为60℃的水槽淬火；将固溶淬火试样在室温环境下放置36小时进行自然时效；然后将试样置于温度为100℃的保温箱进行低温预时效处理，保温5小时后出炉空冷；将低温预时效试样置于165℃的保温箱进行高温终时效处理，保温3小时后出炉空冷。经该实施例处理后A356合金的组织特征与2相近，而各项性能指标为：硬度72 HB、抗拉强度286 MPa、延伸率7.8％、冲击韧性9.6 J/cm²。

为便于直接对比对比例与实施例所处理合金的性能数据，表1给出了对应的硬度、抗拉强度、延伸率和冲击韧性。

从表1各项性能可知，经对比例和实施例所处理合金的硬度性能无显著变化，其数值在68～72HB之间。而从抗拉强度看，与普通固溶时效工艺(对比例1)相比，对比例2和3所处理合金的强度有适当提高，但提高幅度有限，仅为5％左右，而对于实施例1到3，其强度与对比例2和3相比进一步提高，与传统工艺相比，实施例1到3的提高幅度分别为6％、9％和16％，实施例3的提高幅度最大。

对于延伸率，与普通固溶时效工艺(对比例1)相比，对比例2和3所处理合金的延伸率有适当提高，提高幅度分别为23％和8％。而对于实施例1到3，其延伸率与对比例2和3相比进一步提高。与传统工艺相比，实施例1到3所处理合金的延伸率提高幅度分别为46％、71％和50％，其中实施例2的提高幅度最为显著。

对于冲击韧性，与普通固溶时效工艺(对比例1)相比，对比例2和3所处理合金的冲击韧性有适当提高，提高幅度分别为28％和55％。而对于实施例1到3，其延伸率与对比例2和3相比进一步提高。与传统工艺相比，实施例1到3所处理合金的延伸率提高幅度分别为111％、104％和138％，显然冲击韧性可稳定提高1倍以上。

从对比例和实施例的性能数据可以看出，不同的固溶时效工艺对A356合金的硬度性能无明显影响，但对抗拉强度、延伸率和冲击韧性有不同程度的改善作用。与传统的固溶时效工艺相比，利用101638759A的中国专利所公开的技术参数进行处理的A356铝合金其性能有一定提高。而对于本发明所处理的A356合金，其性能有进一步的改善和提高，特别是其延伸率和冲击韧性的提高幅度更大，与传统工艺相比，延伸率的提高幅度可稳定在50％左右，而冲击韧性稳定提高1倍以上。

表 1 对比例与实施例所处理A356合金的力学性能

	硬度(HB)	抗拉强度(MPa)	延伸率(%)	冲击韧性(J/cm²)
					对比例1	68	245	5.2	4.7
对比例2	72	256	6.4	6
					对比例3	69	257	5.6	7.3
实施例1	68	260	7.6	9.9
					实施例2	67	267	8.9	11.2
实施例3	72	286	7.8	9.6

Claims

1.一种用于A356合金的分级时效热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将试样在550～560℃保温2～6小时后淬火；

（3）再将试样在160～170℃保温2～4小时后出炉空冷。

2.根据权利要求1所述的分级时效热处理方法，其特征在于，步骤（1）所述淬火是将将试样置于60℃的水中。

3.根据权利要求1所述的分级时效热处理方法，其特征在于，步骤（2）和（3）所述的保温在保温箱中进行。