铸造铝合金热处理技术详解：从原理到应用

铸造铝合金热处理技术详解：从原理到应用

铸造铝合金的热处理技术是提高其力学性能和耐腐蚀性能的关键工艺。本文将详细介绍铸造铝合金与变形铝合金热处理的差别、热处理的目的、具体方法及操作要点、热处理状态代号及其含义，以及铝合金压铸件开裂的原因和解决方案。

铸造铝合金和变形铝合金热处理差别

铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大，因而在热处理时也有所不同。前者保温时间长，一般都在2h以上，而后者保温时间短，只需要几十分钟。

因为金属型铸件、低压铸造件、差压铸造件是在比较大的冷却速度和压力下结晶凝固的，其结晶组织比石膏型、砂型铸造件细很多，故其在热处理时的保温也短很多。铸造铝合金与变形铝的另一不同点是壁厚不均匀，有异形面或内通道复杂结构外形，为保证热处理时不变形或开裂，有时还要设计专用夹具予以保护，并且淬火介质的温度也比变形铝合金高，故一般多采用人工时效来缩短热处理周期和提高铸件的性能。

铸造铝合金热处理的目的

铸造铝合金热处理的目的是，提高力学性能和耐腐蚀性能，稳定尺寸，改善切削加工性和焊接性等工艺性能。因为许多铸态铝合金的力学性能都不能满足使用要求，除 Al-Si系的ZL102、Al-Mg系的 ZL302和 Al-Zn系的ZL401合金外，其余的铸造铝合金都要通过热处理来进一步提高铸件的力学性能和其他使用性能。其具体作用有以下几个方面：

1. 消除由于铸件结构（如壁厚不均匀、转接处厚大）等原因使铸件在结晶凝固时因冷却速度不均匀所造成的内应力
2. 提高合金的强度和硬度，改善金相组织，保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能
3. 稳定铸件的组织和尺寸，防止和消除高温相变而使体积发生变化
4. 消除晶间和成分偏析，使组织均匀化

铸造铝合金热处理方法及操作技术要点

热处理方法

铸造铝合金的热处理，目前有退火、淬火（固溶处理）、时效和循环处理等工艺，分述如下：

1. 退火：退火的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力，稳定加工件的形状和尺寸，并使Al-Si系合金的部分 Si晶体球状化，改善合金的塑性。其工艺是：将铝合金铸件加热到 280300℃，保温23h，随炉冷却到室温，使固溶体慢慢发生分解，析出的第二质点聚集，从而消除铸件的内应力，到达稳定尺寸、提高塑性、减少变形的目的。热处理状态代号为T2。

2. 淬火：淬火也叫固溶处理或急冷处理。其工艺是：将铝合金铸件加热到较高的温度（一般在接近于共晶体的熔点，大多在 500 ℃以上），保温 2h 以上，使合金内的可溶相充分溶解。然后，急速淬人60~100℃的水中，由于铸件受到急冷，使其在合金中得到最大限度溶解的强化相固定并保存到室温。

3. 时效：其工艺是：将经过淬火的铝合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷到室温，使过饱和的固溶体分解，让合金基体组织稳定。

在时效过程中，大致需经过几个阶段：随着温度的上升和时间的延长，过饱和固溶体点阵内原子的重新组合，生成溶质原子富集区（称为G-PI区）；随着G-PI区消失，第二相原子按一定规律偏聚并生成G-P Ⅱ区，之后生成亚稳定的第二相（过渡相）；大量的G-PⅡI区和少量的亚稳定相结合以及亚稳定相转变为稳定相、第二相质点聚集几个阶段。

时效处理又分为自然时效和人工时效两大类。自然时效是在室温下进行时效强化的处理。人工时效又分为不完全人工时效、完全人工时效、过时效三种。

• 不完全人工时效：将铸件加热到150～170℃（较低温度下），保温3～5h，以获得较好的抗拉强度、良好的塑性和韧性，但耐蚀性降低。
• 完全人工时效：将铸件加热到175185℃（较高温度下），保温524h，以获得足够的抗拉强度即最高的硬度），但伸长率降低。
• 过时效：也称稳定化回火。其工艺是：将铸件加热到190-230℃，保温49h，使强度有所下降，塑性有所提高，以获得较好的抗应力腐蚀能力。

循环处理

把铝合金铸件冷却到零下某个温度（如-50℃—-70℃或-195℃）并保温一定时间，再把铸件加热到 350℃以下，使合金中的固溶体点阵反复收缩和膨胀，并使各相的晶粒发生少量位移，以使这些固溶体结晶点阵内的原子偏聚区和金属间化合物的质点处于更加稳定的状态，从而到达产品零件尺寸、体积更加稳定。这种反复加热、冷却的热处理工艺，即循环处理，仅适于处理在使用中要求尺寸很稳定、极精密的零件（如检测仪器上的某些零件）；一般铸件均不作这种处理。

铸造铝合金热处理状态代号及含义

• T1——人工时效
• T2——退火
• T4——固溶处理加自然时效
• T5——固溶处理加不完全人工时效
• T6——固溶处理加完全人工时效
• T7——固溶处理加稳定化回火
• T8——固溶处理和软化回火
• T9——循环处理

铝合金压铸件开裂的原因和解决的方式

铝铸件在铸造过程中容易出现内部疏松、缩松、气孔、砂孔等问题缺陷。这些有缺陷的铸件经过机加工后，表面致密层成分被去除，但内部组织缺陷容易暴露出来。压铸件表面裂纹呈线状或不规则状，随外力作用有扩展的趋势。裂纹包括冷裂纹（裂纹处材料未氧化）和热裂纹（裂纹处材料氧化）。该缺陷可以通过目视检查来识别。

裂纹产生的原因及建议：

1. 铸件结构设计不合理，造成收缩不均匀，有尖角，壁厚变化过大。如果这种情况出现裂纹，应改进铸件的结构设计，避免尖角，并努力加强壁厚和平滑过渡。
2. 屈服性能差的砂型（型芯）也会出现裂纹。应采取措施加大砂型（芯）的让步。
3. 模具局部过热会产生裂纹，应保证铸件各部分同时或依次凝固，并改进浇注系统的设计。
4. 浇注温度过高也会产生裂纹，应适当降低浇注温度。
5. 过早开模导致铸件刚性不足，当铸件过早从铸型中取出，铸件会变形时，应采用热校正方法。应控制模具的冷却时间。
6. 热处理过热，冷却速度过激后产生裂纹。当铸件发生变形时，采用热校正方法。正确控制热处理温度，降低淬火冷却速度。
7. 顶出机构设计不合理，导致铸件顶出不平衡；也可能由于局部表面粗糙造成，产品顶出时变形，还有铸件顶出时出现阻力；顶出时受力较大，造成制品变形。模具局部温度过高，制品凝固不充分。
8. 浇口拆除方法不当；浇口厚度太厚，浇口切断时易变形。

解决方案：

1. 材料选择：确保熔炼过程中合金元素含量正确，为铸件选择合适的材料是一个重要的考虑因素。该材料应适合应用，具有正确的机械和物理性能以承受操作条件。该材料还应不含可能削弱铸件强度并增加开裂风险的杂质，例如夹杂物、孔隙和空隙。
2. 适当的设计考虑：优化压铸件结构，避免壁厚不均匀，压铸件的设计，以最大程度地减少可能导致裂纹的应力集中。这包括避免尖角和创建过渡半径，以及确保均匀的壁厚、光滑的表面光洁度和适当的圆角半径。
3. 控制铸造温度和冷却速度：控制铸造过程中的温度和冷却速度对于防止裂纹至关重要。应优化冷却速率，以实现均匀凝固并避免可能引起高应力的突然热梯度。
4. 优化浇口和冒口设计：正确的浇口和冒口设计有助于防止铸造缺陷并减少裂纹的可能性。优化的浇口设计确保熔融金属均匀地流入模具型腔，并且任何多余的材料都可以有效地排出。
5. 检查和质量控制：应遵循定期检查和质量控制实践，以发现铸件中任何早期裂纹或其他缺陷的迹象。这包括目视检查、无损检测等方法来确保成品的质量。

文章来源：青岛丰东热处理，恩创精密五金，北京高科新材