[發明專利]鋁硅鑄造合金的順序時效

有效

• 申請號: 200910149234.1
• 申請日: 2009-06-10
• 公開（公告）號: CN101603161A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: H·W·多蒂
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: C22F1/04
• 分類號: C22F1/04;C22F1/043
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 范曉斌;譚祐祥

技術領域

本發明涉及用于鋁硅合金鑄件的能夠增加所述鑄件的抗 拉強度和伸長率的分步時效工藝。具有薄部分和厚部分的復雜鑄件可 以在不過分使薄部分過時效的情況下進行熱處理。

背景技術

鋁硅合金鑄件被大量地生產用于各種應用。在許多這些 應用中，例如氣缸體和氣缸蓋、變速器鑄件和類似物，鑄件可能是非 常復雜的，且通常具有帶有厚部分(例如曲軸連接板)的鑄件部分， 而其它部分具有薄部分。為了獲得足夠的物理屬性，如抗拉強度、伸 長率和硬度，鋁硅鑄件通常被熱處理。

大多數流行的Al-Si鑄造合金(例如，319，356，390) 通過稱為時效硬化或沉淀強化的機制來強化。該工藝通常包括三個步 驟：首先，合金元素在升高的溫度下溶解到鋁固溶體中。該步驟稱為 固溶處理且通常作為與鑄造工藝分離的操作進行。在固化之后，所述 鑄件從模移開，且然后被放置到單獨的爐中，以再次加熱至剛好低于 固相線的溫度且保持足以溶解沉淀物并用溶質原子(通常是Cu和/或 Mg)使鋁相飽和的時間段。此外，不可溶顆粒(如硅)中的一些球 化(speroidization)將伴隨“固溶化”。

在固溶化之后，鑄件在沉淀強化工藝的第二個步驟期間 快速冷卻，稱為“淬火”。淬火必須足夠快，以限制擴散并防止溶質 原子從溶體中沉淀出。對有效溶質元素的要求是在鋁中的最大溶解度 必須隨溫度增加，使得在溫度快速降低時，鋁將含有多于平衡溶質含 量，且變成“超飽和”。該超飽和狀態是不平衡狀態。由于超飽和鋁 成分含有比沉淀物少十倍以上的溶質原子，因此在沉淀物可以形成之 前，溶質原子必須聚集在一起，形成較高的溶質濃度區域且使得其它 區域具有減小的溶質濃度。

在溶體溫度時溶體中的平衡溶質濃度和在時效溫度時溶 體中的平衡溶質濃度之間的差提供沉淀反應的驅動力。時效溫度越低， 該差越高且因而驅動力越高。相反，溫度越低，原子遷移率越低。

因而，沉淀反應由成分驅動力反抗溫度控制的原子遷移 率之間的折衷操縱。甚至在室溫時也發生一些沉淀。在低溫時，成分 驅動力高，但是由于原子遷移率低，因而溶質原子的擴散緩慢，從而 沉淀反應是緩慢的。在較高溫度時，原子移動增強，使得聚集體形成 更快，但是成分驅動力較低，導致沉淀物形成的量較低。

在常規熱處理中時效溫度的選擇是在反應速率和形成的 沉淀物總量之間的折衷。部件的硬度和強度受到形成的沉淀物量的強 烈控制。在時效期間，鑄件被再次加熱至中間溫度，以使得強化的沉 淀物成核。沉淀反應本身是多步驟過程，使得鑄件的強度和硬度隨時 間和溫度升高通過一些峰值硬度值，且然后再次降低。當時效溫度增 加時，在較短的時間內獲得峰值硬度，但是以犧牲一些峰值硬度水平 為代價。因而，有溫度和時間的最佳組合，從而導致在峰值強度和工 藝時間限制之間的最佳折衷。

上述步驟中的每個步驟的控制對于實現特定作業應用的 強度和延展性的組合來說是非常重要的。一些鑄件有意地在較高溫度 下時效或時效較長時間，以獲得越過峰值硬度的狀況。該“過時效” 狀況展現了比峰值時效狀況更低的抗拉強度，但是在許多應用中拉伸 伸長率(損壞韌性)和尺寸穩定性的增加可能比強度更重要。

沉淀反應包括原子聚集體的擴散控制聚集，以形成富含 溶質的區域。在隨后階段，分散相從該區域沉淀。該聚集和沉淀通過 增加局部晶格應變而使得強度增加。再隨后，沉淀物尺寸增加，直到 總系統能量能夠借助于形成界面而減小。此時，顆粒變成不共格相位， 且晶格應變顯著降低，伴隨硬度和抗拉強度下降。顆粒的沉淀也伴隨 有鑄件的物理尺寸在一定溫度下隨時間變化。因而，對于具有苛刻的 尺寸公差的應用來說，鑄件被熱處理經過峰值硬度至已經發生大部分 尺寸變化的點，且然后被機加工至需要尺寸。

鋁鑄件的熱處理是能量和資金密集的工藝，在任何給定 時間可以包括高達2天或更長的工藝內部件熱處理。此外，由于部件 內鑄件微觀結構因位置不同產生的顯著差異，鑄造時和熱處理之后的 屬性將隨著部件內的位置而不同。因而，微觀結構和熱處理通常對于 鑄件內給定位置的屬性進行優化。鑄件的其余部分可能具有次優的屬 性。