鋁合金鑄件的熱處理

鋁合金鑄件的熱處理

鋁合金鑄件的熱處理是指按某一熱處理規范 , 控制加熱溫度、保溫時間和冷卻速度 , 改變合金的組織 , 其主要目的是 : 提高力學性能 , 增強耐 腐蝕性能 , 改善加工性能 , 獲得尺寸的穩定性。鋁合金鑄件的熱處理工藝可以分為如下四類 :

    1. 退火處理 將鋁合金鑄件加熱到較高的溫度 , 一般約為 300 ℃ 左右 , 保溫一定的時間后 , 隨爐冷卻到室溫的工藝稱為退火。在退火過程中 固溶體發生分解 , 第二相質點發生聚集 , 可以消除 鑄件的內應力 , 穩定鑄件尺寸 , 減少變形 , 增大鑄件的塑性。

     2. 固溶處理 把鑄件加熱到盡可能高的溫度 , 接近于共晶體的熔點 , 在該溫度下保持足夠長的時間 , 并隨后快速冷卻 , 使強化組元******限度的溶解 , 這種高溫狀態被固定保存到室溫 , 該過程稱為固溶處理。固溶處理可以提高鑄件的強度和塑性 , 改善合金的耐腐蝕性能。固溶處理的效果主要取決于下列三個因素 :

    (1) 固溶處理溫度。溫度越高 , 強化元素溶解速度越快 , 強化效果越好。一般加熱溫度的上限低于合金開始過燒溫度 , 而加熱溫度的下限應使強化組元盡可能多地溶入固溶體中。為了獲得最好的固溶強化效果 , 而又不便合金過燒 , 有時采用分級加熱的辦法 , 即在低熔點共晶溫度下保溫 , 使組元擴散溶解后 , 低熔點共晶不存在 , 再升到更高的溫度進行保溫和淬火。固溶處理時 , 還應當注意加熱的升溫速度不宜過快 , 以免鑄件發生變形和局部聚集的低熔點組織熔化而產生過燒。固溶熱處理的悴火轉移時間應盡可能地短 , 一般應不大于 15s, 以免合金元素的擴散析出而降低合金的性能。

    (2) 保溫時間。保溫時間是由強化元素的溶解速度來決定的 , 這取決于合金的種類、成分、組織、鑄造方法和鑄件的形狀及壁厚。鑄造鋁合金的保溫時間比變形鋁合金要長得多 , 通常由試驗確定 , 一般的砂型鑄件比同類型的金屬型鑄件要延 長 20%-25% 。

    (3) 冷卻速度。 淬火時給予鑄件的冷卻速度越大 , 使固溶體自高溫狀態保存下來的過飽和度也越高 , 從而使鑄件獲得高的力學性能 , 但同時所形成的內應力也越大 , 使鑄件變形的可能性也越大。冷卻速度可以通過選用具有不同的熱容量、導熱性、蒸發潛熱和粘滯性的冷卻介質來改變 , 為了得到最小的內應力 , 鑄件可以在熱介質 ( 沸水、熱 油或熔鹽 ) 中冷卻。

    為了保證鑄件在淬火后 , 同時具有高的力學性能和低的內應力 , 有時采用等溫淬火 , 即把經固溶處理的鑄件淬入 200-250 ℃ 的熱介質中保溫一定時間 , 把固溶處理和時效處理結合起來。

    3. 時效處理 將固溶處理后的鑄件加熱到某一溫度 , 保溫一定時間后出爐 , 在空氣中緩慢冷卻到室溫的工藝稱為時效。如果時效強化是在室溫下進行的稱為自然時效 , 如果時效強化是在高于室溫并保溫一段時間后進行稱為人工時效。時 效處理進行著過飽和固溶體分解的自發過程 , 從而使合金基體的點陣恢復到比較穩定的狀態。

    時效溫度和時間的選擇取決于對合金性能的要求、合金的特性、固溶體的過飽和程度以及鑄造方法等。人工時效可分為三類 : 不完全人工時效 , 完全人工時效和過時效。不完全人工時效是采用比較低的時效溫度或較短的保溫時間 , 獲得優良的綜合力學性能 , 即獲得比較高的強度 , 良好的塑性和韌性 , 但耐腐蝕性能可能比較低。完全人工時 效是采用較高的時效溫度和較長的保溫時間 , 獲得******的硬度和最高的抗拉強度 , 但伸長率較低。 過時效是在更高的溫度下進行 , 這時合金保持較高的強度 , 同時塑性有所提高 , 主要是為了得到好的抗應力腐蝕性能。為了得到穩定的組織和幾何尺寸 , 時效應該在更高的溫度下進行。過時效根據使用要求通常也分為穩定化處理和軟化處理。

    時效處理時 , 合金元素沉淀的過程大多需要經過以下四個階段 :

   (1) 形成 G-P Ⅰ 區。固溶體點陣內原子重新組合 , 出現溶質原子的富集區 , 伴隨著點陣畸變程度增大 , 提高合金的力學性能 , 降低合金的導電性。

   (2) 形成 G-P Ⅱ 區。合金元素的原子以一定比例進行偏聚形成 G-P Ⅱ 區 , 為形成亞穩相作準備 , 合金的強度進一步提高。

   (3) 形成亞穩相。 亞穩相也稱過渡相 , 該相與基體呈共格聯系 , 大量的 G-P Ⅱ 區和少量的亞穩相相結合 , 使合金得到最高的強度。

   (4) 形成第二相質點和第二相質點的聚集。 亞穩相轉變為穩定相 , 細小的質點分布在晶粒內部 , 較粗大的質點分布在晶界 , 還相繼發生第二相質點的聚集 , 點陣畸變劇烈地減弱 , 顯著地降低合 金的強度 , 提高合金的塑性。

上述幾個階段不是截然分開的 , 有時是同時進行的 , 低溫時效第一、二階段進行的程度要大些 , 高溫時效 , 第三、四階段進行得強烈些。

4. 冷熱循環處理

     經冷熱循環處理的鑄件 , 由于多次加熱和冷卻引起固溶體點陣收縮和膨脹 , 使各相的晶格發生了少許位移 , 使第二相質點處于更加穩定的狀態 , 從而提高鑄件尺寸的穩定性 , 適于精密零件的 制造。

     鋁合金在低溫下沒有脆性斷裂的傾向 , 隨著溫度的降低 , 力學性能有某些變化 , 強度有所提高 , 但塑性卻降低得很少 , 所以有時為了減小或消 除鑄件內應力 , 可將鑄造或淬火后的鑄件 , 冷卻到 -50 ℃ 、 -70 ℃ 或更低的溫度 , 保持 2-3h, 隨后在空氣或熱水中加熱到室溫 , 或者是接著進行人工時效 , 這種工藝稱冷處理。

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