[发明专利]用于加强慢速淬火/冷却铸铝部件的方法

说明书

相关申请的参考

本申请是2009年3月5日提交的序列号为No.12/398219，题目为“增强铝合金高压模铸的机械性能的方法”的美国专利申请的部分续案。

技术领域

本发明涉及改进铝合金的拉伸性能的方法和技术，特别是涉及可热处理的铸铝合金在固化和/或固溶处理之后的慢速冷却/淬火以最小化残余应力和变形的方法和技术。

背景技术

热淬火在金属物体的热处理过程中很重要。对于老化可硬化材料，如许多铸铝合金，热淬火帮助逐渐形成过饱和固溶体用于随后的沉淀硬化。通过随后的老化/沉淀硬化过程，较高的过饱和通常导致更好的机械性能（特别是屈服强度）。在淬火后，固溶体中的加强元素的过饱和程度强烈取决于淬火率。快速淬火/冷却通常导致高的溶质过饱和。因此，将材料频繁地淬火到冷水或温水以最大化固溶（solution）过饱和。

许多金属零件，例如发动机气缸体和气缸盖具有复杂的形状和不同的壁厚度。即使当金属零件在热水或沸水中淬火时，也能够在它们中逐渐形成大量的残余应力和变形。当需要紧密度公差以制造零件时，得到的变形是浪费的并且难以纠正。尽管使用性能是减少残余应力的重要因素，但另一个动机是为了在加工期间减少变形。

一种减少零件的不同部分之间冷却率的差别的方法是使用软淬火介质，例如热/沸水、水-聚合体或聚合体溶液或甚至是强制空气淬火。尽管空气淬火是减少残余应力和形变的最有效的方式之一，但是它会显著地降低成品的机械性能。图1示出了采用空气淬火与采用水淬火的显著减少气缸盖中的残余应力的实施例。图2示出了采用空气淬火减少拉伸性能的实施例。

因此，存在对固溶热处理和/或固化后慢速淬火/冷却的铸铝部件的机械性能改进的方法的需求。

发明内容

本发明满足了这个需求。提供了一种最大化铝合金的老化响应和机械性能的方法和技术。这些方法可应用于所有老化硬化铝合金，包括锻铝合金和铸铝合金。

在一种实施方式中，该改进的用于慢速淬火/冷却铝合金的加强过程包括但不限于，至少两阶段固溶处理和两阶段老化硬化。在固溶处理中，部件首先在合金的初始固溶处理温度（大约低于固相线5至10℃）下热处理，随后逐渐加热至高于该材料的该初始固溶处理温度大约5℃至大约30℃。在固溶处理期间的该温度增加能够是分步的、以连续的方式或它们的组合。可以基于热力学和动力学确定和优化该温度变化轮廓。对于老化处理，铸件/部件首先在与随后的老化步骤相比较低的温度下老化，该温度通常在大约室温和大约100℃之间。该优选的预老化温度在大约65℃至大约95℃之间。该预老化时间随预老化温度变化，并且当该零件在室温初始自然老化时，其能够长至若干天或若干周。随后的老化步骤通常在高于大约100℃的温度下进行，例如，在大约140℃和大约240℃之间，优选的温度在大约165℃和大约200℃之间。在随后的老化过程中的温度变化能够是分步的、以连续的方式或它们的组合。能够基于热力学和动力学确定和优化温度变化轮廓。随后的在每个步骤的老化时间从大约1小时变化至大约10小时，优选的总的随后老化时间在大约4至大约8小时。

在另一种实施方式中，提供了一种改进可热处理的铝合金的机械性能的方法。该方法包括至少两阶段老化过程。存在预老化阶段，其中铝合金在大约室温至大约100℃范围的温度下预老化，并且存在在高于预老化温度的老化温度下的非恒温老化阶段。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种方法，其用于改进可热处理铝合金的机械性能，所述方法包括：

在所述铝合金的固溶处理温度对所述铝合金进行热处理并持续第一段时间；

加热所述热处理铝合金至高于所述固溶处理温度大约5℃至大约30℃的温度；

冷却加热的铝合金；

在大约室温至大约100℃范围的温度下预老化所述冷却的铝合金；以及

在高于预老化温度的老化温度下老化所述预老化的铝合金。

2. 根据方案1所述的方法，其中所述铝合金在高于所述固溶处理温度大约5℃至大约30℃的温度下保持第二段时间，以及其中第二段时间大约与第一段时间相同。

3. 根据方案1所述的方法，其中加热所述铝合金至高于所述固溶处理温度大约5℃至大约30℃的温度是非等温加热。

4. 根据方案1所述的方法，其中老化所述预老化的铝合金是非等温老化。

5. 根据方案1所述的方法，其中所述预老化温度在大约65℃至大约95℃的范围内。

6. 根据方案1所述的方法，还包括在第二老化温度老化所述铝合金，其中所述第二老化温度高于所述老化温度。