CN111957892A - 一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品 - Google Patents

一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品 Download PDF

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Abstract

本发明属于热处理相关技术领域，并公开了一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品。该方法包括：S1成形铝/镁双金属铸件；S2升温至第一预设温度后，保温，实现所述铝/镁双金属铸件从低熔点相至高熔点相的转变；S3将经过S2再次升温至第二预设温度，该第二预设温度高于所述第一预设温度，保温，冷却；S4再次升温至第三预设温度，该第三预设温度低于所述第一预设温度，保温之后随炉冷却，以此实现所述铝/镁双金属铸件的热处理。通过本发明，减少界面冶金层的应力集中，防止裂缝缺陷的产生，增强冶金层和铝基体的连接强度，提高铝/镁双金属的性能，并降低热处理成本。

Description

一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品
技术领域
本发明属于热处理相关技术领域，更具体地，涉及一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品。
背景技术
铝/镁双金属零件兼具铝和镁的优点，在汽车、电子3C和航空航天等领域具有广泛应用前景。消失模铸造固-液复合技术是一种制备铝/镁双金属零件的新方法，具有诸多优点，如适合制备复杂零件、嵌体无需额外固定、有利于实现冶金结合等。通常，铸态零件都需要进行热处理来进一步改善铸态零件的性能。因此，消失模铸造固-液复合技术制备的铝/镁双金属铸件也需要通过热处理进一步改善其性能。
消失模铸造固-液复合技术制备的铝/镁双金属有其特殊性，与单一成分的金属材料明显不同，其由三个不同成分的部分组成，分别是铝基体、镁基体和界面冶金反应层。界面冶金反应层宽度可达1500μm，其由三个不同反应层组成：靠近镁基体侧的Al12Mg17+δ-Mg共晶组织，靠近铝基体侧的Al3Mg2+Mg2Si和两个反应层中间的Al12Mg17+Mg2Si。反应层的成分分布不均匀，且其硬度显著高于铝基体和镁基体金属，造成界面处应力集中，断裂容易在此处发生，降低了铝/镁双金属的性能；目前，对于铝/镁双金属的热处理方法主要用于焊接和轧制等领域，而且目的主要是使铝/镁双金属由无冶金的机械结合转变为冶金结合，从而提高铝/镁双金属的性能。但是消失模铸造固-液复合铝/镁双金属本身具有较宽的冶金界面层，为冶金结合。因此，之前适用于焊接和轧制领域的热处理工艺将不再适用于本专利的双金属。
通常，铝合金和镁合金常用的热处理方法有固溶处理、时效处理和均匀化处理。固溶处理是指将铸件加热到固相线以下某个较高温度，使一些未达到饱和状态的固溶体在较高的温度和长时间保温条件下达到过饱和固溶体状态，然后迅速冷却，使第二相来不及析出，实现固溶强化的目的。固溶处理需要通过淬火使零件快速冷却，由于界面层金属间化合物和基体的膨胀系数相差较大，将会造成铝/镁双金属在快速冷却过程中界面冶金反应层和铝基体之间产生裂缝缺陷。时效处理是使过饱和固溶体中的第二相重新析出，达到时效强化的目的，但是单独的时效处理由于温度较低，且没有经过固溶过程，对于双金属的组织和性能几乎没有影响。均匀化处理是指将铸件加热到固相线以下某一较高温度，长时间保温，然后缓慢冷却下来，由于均匀化退火的冷却方式一般是空冷或者炉冷，冷却速度较慢。因此，使用均匀化处理可以消除界面处出现的裂缝缺陷。但是单独的均匀化处理，由于处理时间较长，可能会造成过烧现象，也增加了成本。因此，需要开发一种新的适用于消失模铸造固-液复合铝/镁双金属的热处理方法，来改善铝/镁双金属组织，提高双金属性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品，通过多级均匀化处理+时效处理的方式，强化铝/镁双金属的性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了该方法包括下列步骤：
S1铝/镁双金属铸件的制备
以铝合金为固态嵌体，镁合金浇注泡沫模型的消失模铸造的方法成形铝/镁双金属铸件；
S2多级均匀化处理
S21一级加热处理
将步骤S1中制备获得的铝/镁双金属铸件放入热处理炉中，升温至第一预设温度后，保温，实现所述铝/镁双金属铸件从低熔点相至高熔点相的转变；
S22二级加热处理
将经过S21步骤后的铝/镁双金属铸件再次升温至第二预设温度，该第二预设温度高于所述第一预设温度，保温，冷却，该二级加热处理过程中，Al基体和铝/镁界面层之间产生了一个由Al基固溶体+Mg2Si组成的新扩散层，该扩散层加强了界面组织和铝基体的连接；
S3时效处理
将S2中冷却的铝/镁双金属铸件再次升温至第三预设温度，该第三预设温度低于所述第一预设温度，保温之后随炉冷却，以此实现所述铝/镁双金属铸件的热处理。
进一步优选地，在步骤S21中，所述一级加热处理中的第一预设温度为370℃～390℃，升温速率为4℃/min～6℃/min，保温时间为4h～8h。
进一步优选地，在步骤S22中，所述二级加热处理中的第二预设温度为410℃～430℃，升温速率为4-6℃/min，保温时间为6h～12h。
进一步优选地，在步骤S3中，所述时效处理中的第三预设温度为170℃～200℃，升温速率为4℃/min～6℃/min，保温时间为14h～20h。
进一步优选地，在步骤S22和S3中，所述冷却方式为随炉冷却。
进一步优选地，在步骤S1中，所述消失模铸造的方法按照下列步骤进行：
S11获取铝合金固态嵌体，铝嵌体经过打磨、清洗后嵌入泡沫模型中，制备出复合模型；
S12将复合模型涂刷涂料，待涂料烘干后，放入砂箱，埋砂造型并振动紧实；
S13在所述砂箱顶部覆盖一层塑料薄膜，抽真空；
S14将镁合金液浇入泡沫模型中，待铸件冷却凝固后，取出铸件，切除浇注***，获得铝/镁双金属铸件。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的热处理方法处理获得的铝/镁双金属。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1、本发明中通过使用多级均匀化处理+时效处理的热处理方法可以均匀化铝/镁双金属的界面组织，降低界面组织的硬度，减少应力集中，同时改善基体组织，使铝/镁双金属整体性能得到提高，其中，通过多级均匀化处理替代单级均匀化处理可以减少热处理时间，防止过烧，降低了热处理的成本；
2、本发明中的多级均匀化处理中采用了较低的升温速率和降温速率，可调控铝/镁双金属界面层金属间化合物和基体的膨胀和收缩过程，防止了热处理过程中界面区域裂缝缺陷的产生；
3、本发明中的多级均匀化处理后，界面冶金反应层和铝基体之间产生一个新的由Al(Mg)固溶体+Mg2Si组成的反应层，增强了界面冶金反应层和铝基体的连接强度。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的热处理的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的热处理过程中温度随时间变化曲线；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的消失模铸造固-液复合铝/镁双金属的显微组织，其中，(a)是界面区域显微组织；(b)对应于图(a)中A区域显微组织；(c)对应于图(a)中B区域显微组织；(d)对应于图(a)中C区域显微组织；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的多级均匀化处理+时效处理后的铝/镁双金属显微组织，其中，(a)界面区域显微组织；(b)对应于图(a)中A区域显微组织；(c)对应于图(a)中B区域显微组织；(d)对应于图(a)中C区域显微组织；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的固溶处理和冷却方式为空冷的单级均匀化处理后的铝/镁双金属显微组织，其中，(a)固溶处理；(b)冷却方式为空冷的单级均匀化处理。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法及产品，该方法包括下列步骤：
(a)使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属
使用消失模铸造固-液复合技术和优化的工艺参数制备铝/镁双金属；具体步骤如下：
首先，使用线切割切出圆柱形A356铝合金固态嵌体，铝嵌体经过打磨、清洗后嵌入泡沫模型中，制备出复合模型，所设计的复合模型的液固体积比为9.8～23.4；然后，将复合模型涂刷涂料，待涂料烘干后，放入砂箱，埋砂造型并振动紧实；接着，在砂箱顶部覆盖一层塑料薄膜，抽真空，使真空度达到0.02～0.04MPa，准备浇注AZ91D镁合金；将镁合金放入坩埚中熔炼，熔炼过程中通入CO2+SF6保护气体，待镁合金液温度达到710～750℃，将镁合金液浇入泡沫模型中；最后，待铸件冷却凝固后，取出铸件，切除浇注***，获得铝/镁双金属铸件。
(b)一级加热处理
将制备好的铝/镁双金属放入热处理炉中，以一定的升温速率从室温升至预定温度，然后保温一段时间；
(c)二级加热处理
在一级加热处理完成后，继续以一定的升温速率加热至某一预定温度，保温一段时间后冷却。
(d)时效处理
将冷却至室温的铝/镁双金属材料以一定的升温速率重新加热至较低的温度，保温一段时间后冷却。
进一步优选地，在步骤(b)中，一级加热处理的升温速率为4-6℃/min，升温至370-390℃，保温时间为4-8h。在一级加热处理阶段，选择的加热温度应该在低于非平衡固相线温度附近，为370℃-390℃。在该阶段，共晶组织少量回溶至基体，防止在高温阶段发生过烧现象。另一方面，较低的温度可以使晶粒生长较为缓慢，防止了双金属不同部位的晶粒尺寸差别较大，因为，较大的晶粒尺寸差异容易成为裂纹源。
进一步优选地，在步骤(c)中，二级加热处理的升温速率为4-6℃/min，温度为410-430℃，保温时间为6-12h，冷却方式为随炉冷却。温度是影响原子扩散速度的主要因素，温度越高，原子越容易迁移，扩散系数和扩散速度也就越大，达到均匀化所需要的时间也就越短，因此，为了缩短均匀化所需的时间，我们在一级加热之后，进一步提高加热温度。均匀化处理冷却方式主要有空冷和炉冷，经过前期研究发现，空冷的方式也会造成双金属界面区域产生裂缝缺陷，而炉冷的方式则不会，因此选择炉冷的方式。经过上面的多级均匀化处理后，在Al基体和Al3Mg2+Mg2Si反应层间产生了一个由Al(Mg)固溶体+Mg2Si组成的新扩散层，该扩散层的存在加强了界面组织和铝基体的连接；镁合金中的Al12Mg17以细小的层片状组织析出；界面和基体的组织和成分更加均匀，有利于双金属性能的提高。
进一步优选地，在步骤(d)中，时效处理的温度为170-200℃，升温速率为4-6℃/min，保温时间为14-20h，冷却方式为随炉冷却。经过人工时效后，镁合金中的Al12Mg17的数量进一步增加且尺寸较小、分布更加密集，有利于进一步提高双金属的性能。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
请参阅图2的热处理过程中的温度随时间变化曲线，本发明较佳实施方式提供的一种用于消失模铸造固-液复合铝/镁双金属的热处理方法，该方法包括以下步骤：
第一步，使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属，其中铝基体牌号为A356，镁基体牌号为AZ91D，浇注温度730℃，液固体积比14.6，真空度0.03MPa。铝/镁双金属的显微组织如图3中(a)～(d)所示，A356铝合金和AZ91D镁合金通过一个宽度约为1500μm的冶金反应层连接，该冶金反应层由靠近镁基体侧的Al12Mg17+δ-Mg共晶组织，靠近铝基体侧的Al3Mg2+Mg2Si和两个反应层中间的Al12Mg17+Mg2Si组成，该区域无裂缝缺陷，但是界面组织不均匀。
第二步，一级加热处理。具体步骤如下：
(1)将上面制备好的铝/镁双金属放入热处理炉中，关闭炉门，通入氩气，防止铝/镁双金属热处理过程中氧化；
(2)设定热处理炉的升温程序，初始温度25℃，升温速率为5℃/min，升温至380℃，保温时间6h；
第三步，二级加热处理。具体步骤如下：
(1)不取出铝/镁双金属，继续后续的升温程序，升温速率5℃/min，升温至420℃，保温时间8h；
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
第四步，时效处理。具体步骤如下：
(1)不取出冷却至室温的铝/镁双金属，重新设置热处理炉的升温程序，升温速率5℃/min，升温至180℃，保温16h。
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
多级均匀化处理+时效处理后的铝/镁双金属的显微组织如图4所示。从图4中可以发现，使用本实施例的方法热处理后，界面冶金反应层和A356基体之间产生了一个由Al(Mg)固溶体+Mg2Si组成的新的反应层(图4中(b)所示)，这个新的反应层的存在增强了界面冶金反应层和A356基体的连接强度。热处理后铝/镁双金属界面组织更加均匀，Al12Mg17+δ-Mg共晶组织中的δ-Mg晶粒尺寸变大、数量增多(图4中(c)和(d))，有利于降低界面的脆性。热处理对于AZ91D镁基体也有较大影响，未热处理时Mg基体中的Al12Mg17主要以粗大网状的形式分布在晶界附近(图3中(d)所示)，多级均匀化处理+时效处理后，AZ91D基体中的Al12Mg17呈现细小层片状分布(图4中(d)所示)，这将显著增强AZ91D基体的性能。同时，相比于固溶处理(图5中(a)所示)和冷却方式为空冷的单级均匀化处理(图5中(b)所示)，本专利的热处理方法并不会造成裂缝缺陷。因此，铝/镁双金属的整体性能得到了明显改善。
实施例2
第一步，使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属，其中铝基体牌号A356，镁基体牌号AZ91D，浇注温度710℃，液固体积比14.6，真空度0.03MPa。
第二步，一级加热处理。具体步骤如下：
(1)将双金属放入热处理炉中，关闭炉门，通入氩气；
(2)设定热处理炉的升温程序，初始温度25℃，升温速率为4℃/min，升温至390℃，保温时间4h；
第三步，二级加热处理。具体步骤如下：
(1)不取出双金属，继续后续的升温程序，升温速率4℃/min，升温至410℃，保温时间12h；
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
第四步，时效处理。具体步骤如下：
(1)不取出冷却至室温的铝/镁双金属，重新设置热处理炉的升温程序，升温速率4℃/min，升温至200℃，保温14h。
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
实施例3
第一步，使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属，其中铝基体牌号A356，镁基体牌号AZ91D，浇注温度710℃，液固体积比23.4，真空度0.04MPa。
第二步，一级加热处理。具体步骤如下：
(1)将双金属放入热处理炉中，关闭炉门，通入氩气；
(2)设定热处理炉的升温程序，初始温度25℃，升温速率为5℃/min，升温至370℃，保温时间8h；
第三步，二级加热处理。具体步骤如下：
(1)不取出双金属，继续后续的升温程序，升温速率5℃/min，升温至430℃，保温时间6h；
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
第四步，时效处理。具体步骤如下：
(1)不取出冷却至室温的铝/镁双金属，重新设置热处理炉的升温程序，升温速率5℃/min，升温至170℃，保温20h。
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
实施例4
第一步，使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属，其中铝基体牌号A356，镁基体牌号AZ91D，浇注温度750℃，液固体积比9.8，真空度0.02MPa。
第二步，一级加热处理。具体步骤如下：
(1)将双金属放入热处理炉中，关闭炉门，通入氩气；
(2)设定热处理炉的升温程序，初始温度25℃，升温速率为6℃/min，升温至390℃，保温时间4h；
第三步，二级加热处理。具体步骤如下：
(1)不取出双金属，继续后续的升温程序，升温速率6℃/min，升温至410℃，保温时间12h；
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
第四步，时效处理。具体步骤如下：
(1)不取出冷却至室温的铝/镁双金属，重新设置热处理炉的升温程序，升温速率6℃/min，升温至180℃，保温18h。
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
实施例5
第一步，使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属，其中铝基体牌号A356，镁基体牌号AZ91D，浇注温度730℃，液固体积比9.8，真空度0.02MPa。
第二步，一级加热处理。具体步骤如下：
(1)将双金属放入热处理炉中，关闭炉门，通入氩气；
(2)设定热处理炉的升温程序，初始温度25℃，升温速率为5℃/min，升温至390℃，保温时间5h；
第三步，二级加热处理。具体步骤如下：
(1)不取出双金属，继续后续的升温程序，升温速率5℃/min，升温至425℃，保温时间9h；
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
第四步，时效处理。具体步骤如下：
(1)不取出冷却至室温的铝/镁双金属，重新设置热处理炉的升温程序，升温速率5℃/min，升温至190℃，保温16h。
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
实施例6
第一步，使用消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双金属，其中铝基体牌号A356，镁基体牌号AZ91D，浇注温度720℃，液固体积比14.6，真空度0.02MPa。
第二步，一级加热处理。具体步骤如下：
(1)将双金属放入热处理炉中，关闭炉门，通入氩气；
(2)设定热处理炉的升温程序，初始温度25℃，升温速率为5℃/min，升温至385℃，保温时间6h；
第三步，二级加热处理。具体步骤如下：
(1)不取出双金属，继续后续的升温程序，升温速率5℃/min，升温至428℃，保温时间10h；
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
第四步，时效处理。具体步骤如下：
(1)不取出冷却至室温的铝/镁双金属，重新设置热处理炉的升温程序，升温速率4℃/min，升温至170℃，保温17h。
(2)冷却至室温。冷却方式为随炉冷却。
本发明中，对于单独的一种铝合金或者镁合金，常用的热处理方法包括固溶处理、固溶+时效处理、均匀化处理，各种热处理的工艺方法及参数不同，对合金的组织和性能的影响效果也不同。而铝/镁双金属铸件不仅包含铝合金和镁合金部分，还存在铝-镁界面组织，即，铝/镁双金属可以看成是由三部分性质差异较大的成分构成的组合体。该组合体不同部分的熔点不同、成分不同、组织不同、物理化学性质也不同，因此，需要选择一个能够同时满足这三部分的热处理工艺及参数。
AZ91D的固相线温度是470℃，A356固相线温度是557.2℃，同时，热处理的温度也应该低于界面处金属间化合物的温度，防止金属间化合物在热处理过程中熔化。根据文献报道，Al12Mg17的熔点为460℃，Al3Mg2的熔点为450℃，Mg2Si的熔点为1087℃。同时根据Al-Mg二元相图，Al12Mg17+δ-Mg共晶反应的温度为440℃。因此，热处理温度应该小于等于440℃。一般地，固溶温度应该选择合金固相线以下尽量高的温度，当固溶温度为430℃和435℃时，界面区域出现微熔和过烧现象，因此，热处理温度应低于430℃。我们继续尝试固溶温度为400℃、410℃、420℃进行固溶处理，采用80℃水淬降温，发现固溶处理后的双金属铸件界面区域均会产生裂缝缺陷。因此，固溶处理和固溶+时效处理不适合铝/镁双金属。均匀化退火是指将铸件加热到该合金固相线温度以下的某一较高温度，长时间保温，然后缓慢冷却下来。目的是使合金中元素发生固态相变，减少组织不均匀性和化学成分的偏析，对于本专利中的由多种成分组成和组织构成的铝/镁双金属可能是一种适合的热处理方案。
均匀化退火的温度一般是0.9～0.95T熔，T熔为实际铸锭开始熔化温度，它低于状态图上的固相线。对于本专利中的铝/镁双金属，这个温度范围为405-427.5℃。但是，有时在低于非平衡固相线温度(0.9～0.95T熔)进行均匀化退火不能达到组织均匀化的目的，即使达到，也往往需要极长的保温时间，提高了生产成本。为了解决这个问题，可以通过先在低温加热一段时间，使低熔点相转变成高熔点相，然后再升高温度，完成高温均匀化过程。通过该方法既可以防止铸件过烧，又可以缩短热处理时间。因此，本发明在均匀化处理阶段分为两个加热阶段。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1铝/镁双金属铸件的制备
以铝合金为固态嵌体，镁合金浇注泡沫模型的消失模铸造的方法成形铝/镁双金属铸件；
S2多级均匀化处理
S21一级加热处理
将步骤S1中制备获得的铝/镁双金属铸件放入热处理炉中，升温至第一预设温度后，保温，实现所述铝/镁双金属铸件从低熔点相至高熔点相的转变；
S22二级加热处理
将经过S21步骤后的铝/镁双金属铸件再次升温至第二预设温度，该第二预设温度高于所述第一预设温度，保温，冷却，该二级加热处理过程中，Al基体和铝/镁界面层之间产生了一个由Al基固溶体+Mg2Si组成的新扩散层，该扩散层加强了界面组织和铝基体的连接；
S3时效处理
将S2中冷却的铝/镁双金属铸件再次升温至第三预设温度，该第三预设温度低于所述第一预设温度，保温之后随炉冷却，以此实现所述铝/镁双金属铸件的热处理。
2.如权利要求1所述的一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法，其特征在于，在步骤S21中，所述一级加热处理中第一预设温度为370℃～390℃，升温速率为4℃/min～6℃/min，保温时间为4h～8h。
3.如权利要求1所述的一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法，其特征在于，在步骤S22中，所述二级加热处理中第二预设温度为410℃～430℃，升温速率为4-6℃/min，保温时间为6h～12h。
4.如权利要求1所述的一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法，其特征在于，在步骤S3中，所述时效处理中第三预设温度为170℃～200℃，升温速率为4℃/min～6℃/min，保温时间为14h～20h。
5.如权利要求1所述的一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法，其特征在于，在步骤S22和S3中，所述冷却方式为随炉冷却。
6.如权利要求1所述的一种用于消失模铸造的铝/镁双金属的热处理方法，其特征在于，在步骤S1中，所述消失模铸造的方法按照下列步骤进行：
S11获取铝合金固态嵌体，铝嵌体经过打磨、清洗后嵌入泡沫模型中，制备出复合模型；
S12将复合模型涂刷涂料，待涂料烘干后，放入砂箱，埋砂造型并振动紧实；
S13在所述砂箱顶部覆盖一层塑料薄膜，抽真空；
S14将镁合金液浇入泡沫模型中，待铸件冷却凝固后，取出铸件，切除浇注***，获得铝/镁双金属铸件。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的热处理方法处理获得的铝/镁双金属。
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