[发明专利]铝硅铸造合金的顺序时效

说明书

技术领域

本发明涉及用于铝硅合金铸件的能够增加所述铸件的抗 拉强度和伸长率的分步时效工艺。具有薄部分和厚部分的复杂铸件可 以在不过分使薄部分过时效的情况下进行热处理。

背景技术

铝硅合金铸件被大量地生产用于各种应用。在许多这些 应用中，例如气缸体和气缸盖、变速器铸件和类似物，铸件可能是非 常复杂的，且通常具有带有厚部分(例如曲轴连接板)的铸件部分， 而其它部分具有薄部分。为了获得足够的物理属性，如抗拉强度、伸 长率和硬度，铝硅铸件通常被热处理。

大多数流行的Al-Si铸造合金(例如，319，356，390) 通过称为时效硬化或沉淀强化的机制来强化。该工艺通常包括三个步 骤：首先，合金元素在升高的温度下溶解到铝固溶体中。该步骤称为 固溶处理且通常作为与铸造工艺分离的操作进行。在固化之后，所述 铸件从模移开，且然后被放置到单独的炉中，以再次加热至刚好低于 固相线的温度且保持足以溶解沉淀物并用溶质原子(通常是Cu和/或 Mg)使铝相饱和的时间段。此外，不可溶颗粒(如硅)中的一些球 化(speroidization)将伴随“固溶化”。

在固溶化之后，铸件在沉淀强化工艺的第二个步骤期间 快速冷却，称为“淬火”。淬火必须足够快，以限制扩散并防止溶质 原子从溶体中沉淀出。对有效溶质元素的要求是在铝中的最大溶解度 必须随温度增加，使得在温度快速降低时，铝将含有多于平衡溶质含 量，且变成“超饱和”。该超饱和状态是不平衡状态。由于超饱和铝 成分含有比沉淀物少十倍以上的溶质原子，因此在沉淀物可以形成之 前，溶质原子必须聚集在一起，形成较高的溶质浓度区域且使得其它 区域具有减小的溶质浓度。

在溶体温度时溶体中的平衡溶质浓度和在时效温度时溶 体中的平衡溶质浓度之间的差提供沉淀反应的驱动力。时效温度越低， 该差越高且因而驱动力越高。相反，温度越低，原子迁移率越低。

因而，沉淀反应由成分驱动力反抗温度控制的原子迁移 率之间的折衷操纵。甚至在室温时也发生一些沉淀。在低温时，成分 驱动力高，但是由于原子迁移率低，因而溶质原子的扩散缓慢，从而 沉淀反应是缓慢的。在较高温度时，原子移动增强，使得聚集体形成 更快，但是成分驱动力较低，导致沉淀物形成的量较低。

在常规热处理中时效温度的选择是在反应速率和形成的 沉淀物总量之间的折衷。部件的硬度和强度受到形成的沉淀物量的强 烈控制。在时效期间，铸件被再次加热至中间温度，以使得强化的沉 淀物成核。沉淀反应本身是多步骤过程，使得铸件的强度和硬度随时 间和温度升高通过一些峰值硬度值，且然后再次降低。当时效温度增 加时，在较短的时间内获得峰值硬度，但是以牺牲一些峰值硬度水平 为代价。因而，有温度和时间的最佳组合，从而导致在峰值强度和工 艺时间限制之间的最佳折衷。

上述步骤中的每个步骤的控制对于实现特定作业应用的 强度和延展性的组合来说是非常重要的。一些铸件有意地在较高温度 下时效或时效较长时间，以获得越过峰值硬度的状况。该“过时效” 状况展现了比峰值时效状况更低的抗拉强度，但是在许多应用中拉伸 伸长率(损坏韧性)和尺寸稳定性的增加可能比强度更重要。

沉淀反应包括原子聚集体的扩散控制聚集，以形成富含 溶质的区域。在随后阶段，分散相从该区域沉淀。该聚集和沉淀通过 增加局部晶格应变而使得强度增加。再随后，沉淀物尺寸增加，直到 总系统能量能够借助于形成界面而减小。此时，颗粒变成不共格相位， 且晶格应变显著降低，伴随硬度和抗拉强度下降。颗粒的沉淀也伴随 有铸件的物理尺寸在一定温度下随时间变化。因而，对于具有苛刻的 尺寸公差的应用来说，铸件被热处理经过峰值硬度至已经发生大部分 尺寸变化的点，且然后被机加工至需要尺寸。

铝铸件的热处理是能量和资金密集的工艺，在任何给定 时间可以包括高达2天或更长的工艺内部件热处理。此外，由于部件 内铸件微观结构因位置不同产生的显著差异，铸造时和热处理之后的 属性将随着部件内的位置而不同。因而，微观结构和热处理通常对于 铸件内给定位置的属性进行优化。铸件的其余部分可能具有次优的属 性。