[发明专利]一种有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效处理方法

说明书

本发明涉及一种改善Al‑Si‑Cu系合金强韧性的双级时效处理方法，属于铝合金热处理领域。该方法包括自然时效和人工时效，在人工时效前先进行自然时效，自然时效为固溶处理后在自然环境中停留一定的时间，再进入时效炉进行人工时效。本发明通过合理控制固溶处理后到开始人工时效的停放时间，即可达到提升合金零件强韧性能的目的，适于在生产中进行推广，可以明显缓解Al‑Si‑Cu系合金T6热处理单级人工时效沉淀析出强化相颗粒粗大和密度不足的问题，有效改善合金的强韧综合性能。

技术领域

本发明涉及一种有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效处理方法，属于铝合金热处理领域。本发明涉及到可热处理强化的时效硬化型铝合金领域，主要针对含铜的Al-Si合金，即国标铸造铝合金ZL105～ZL111和压铸专用铝合金YL112～113，对应的美国标准牌号主要是3XX系，典型牌号319合金。该发明也适用于具有自然时效硬化特性的铝合金，具体工艺规范需要根据特定合金的析出强化规律进行调整。

背景技术

含Cu铝硅系合金是目前铝合金中用量最大的一类铸造铝合金，其Al-Si二元基体为其提供了良好的铸造性能和成型性能。众所周知，该类合金必须经过变质和热处理才能够发挥其优良的强韧性能，这种特性源于该类合金中含有的Si、Cu、Mg元素随温度变化的溶解析出行为，其中“固溶处理+人工时效”(T6)是Al-Si-Cu系合金的常规热处理工艺，通过T6处理，合金可以获得较高的强度，但塑性却大大削弱，延伸率低是该类合金在实际生产和应用中十分关注的力性指标，塑形的不足直接影响合金的韧性及服役性能。

Al-Si-Cu系合金成分中硅含量接近共晶成分点，而硅在铝中的溶解度很低，大部分硅以单质硅颗粒形式存在，硅颗粒的形状及颗粒大小对合金的强度与塑形的影响很大，因此人们将更多的关注点集中在硅变质方面，进而忽略了时效机理研究及时效工艺变化对合金组织性能影响的研究。另外，由于最大限度的追求生产效率，对铝合金的自然时效特性不够重视，同时对各种铝合金的自然时效行为也缺乏深入的研究，所以固溶处理+人工时效成为铝硅合金零件的通用热处理工艺规范，可变的只是依据硅含量的不同调整热处理温度、根据壁厚和零件形状特征确定保温时间和淬火介质。

铝合金的综合性能在很大程度上依赖于热处理工艺，就T6热处理而言，时效强化较固溶强化具有更大的可操作性。对于铸造铝合金，仅仅依靠固溶强化形成过饱和的亚稳态固溶体是不能很好的提高其机械性能的，尤其是对于二元合金，在仅含Mg，Si，Zn，Cr或Mn的情况下，不论其是完全固溶还是部分析出，强化效果都弱。时效过程是第二相的析出过程，包括形核和长大过程。时效强化的机理是固溶原子能够团簇在一起形成富集区(一般称GP区)，进一步形成与基体共格(θ”)、半共格(θ’)、非共格(θ)的结构体。当形成共格的析出相时，引起强烈的晶格畸变，大量的位错和被共格的原子团钉扎效应，产生了应变强化的效果。当形成半共格时，伴随着大量无序界面和大角度晶界的出现，强化效果会减弱。其中的θ相指代Al-Cu系中的Al₂Cu相。

通过固溶处理合金获得过饱和状态，包括固溶原子和空位的双重饱和。随后的时效析出强化阶段发生空位与固溶原子共同交互作用，从而促进析出相的聚集和长大。在室温下自发强化的过程称自然时效，自然时效以GP区强化为主，塑性高强度较低，人工时效以过渡区沉淀相强化为主，强度高塑性低，而预时效温度也一般较低，包括自然时效，目的是在合金中形成高密度的GP区。概括起来说就是，自然时效时一般形成过渡相，人工时效时由于温度高产生平衡相。

双级或者多级时效的目的就是在于要在低温时GP区大量弥散析出并且转化为θ”相，这样高温时效时保证GP区不溶解，而是长大。合金热处理过程实质就是原子的扩散运动过程，受其扩散速率影响。无论是固溶强化，还是时效析出过程，最终的性能差异悬殊归根结底都是受扩散控制，而温度和时间是影响这一切过程的关键因素。

发明内容