鑄造鋁合金熱處理

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280~300℃，保溫2~3h，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，使合金內(nèi)的可溶相充分溶解。然后，急速淬人60~100℃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-PⅠ區(qū)）；隨著G-PⅠ區(qū)消失，第二相原子按一定規(guī)律偏聚并生成G-P

Ⅱ區(qū)，之后生成亞穩(wěn)定的第二相（過渡相）；大量的G-PII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。

①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。

②完全人工時效。將鑄件加熱到175~185℃（較高溫度下），保溫5~24h，以獲得足夠的抗拉強度（即最高的硬度），但伸長率降低。

③過時效。也稱穩(wěn)定化回火。其工藝是：將鑄件加熱到190～230℃，保溫4~9h，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，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150～180℃，

保溫時間為1～24h

T2

退火

消除鑄件的內(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A1．si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280～300℃，保

溫時間為2～4h

T4

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A1．Mg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500～535℃，

對Al-Mg系合金為435℃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(dāng)或下水方向不對；爐溫不均勻，使鑄件溫度不均勻等。

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?fàn)t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(yán)格控制低熔點合金元素的含量不超標(biāo)；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(zhǔn)溫度測控儀表，確保儀表測溫、示溫、控溫準(zhǔn)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(biāo)（＞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(biāo)，如超標(biāo)，則應(yīng)降低其含量，從硝鹽槽中加熱的鑄件應(yīng)立即用溫水或冷水沖洗干凈；檢查硝鹽中酸和堿的含量，如有酸或堿則應(yīng)中和或停止使用；不要把鋁合金鑄件放在有濃酸或濃堿的附近。

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