Sr过变质对铸造Al-Si-Mg铝合金性能及组织的影响--《热加工工艺》2011年13期
Sr过变质对铸造Al-Si-Mg铝合金性能及组织的影响
【摘要】：Sr是铝合金理想的变质剂,但过变质后对合金组织有何影响?为此本文研究了Sr对新型铸造Al-Si-Mg铝合金的过变质现象。结果发现,过量的Sr变质处理,使得试样组织恶化,出现较多的块状偏聚三元共晶组织,割裂基体,同时晶间腐蚀严重,导致试样的力学性能显著下降;通过二次熔炼处理,可在一定程度上改善试样的微观组织结结构,提高其力学性能。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG292【正文快照】：
随着科技的进步和工业生产的发展,尤其是航空航天事业发展的需要,对优质铸件的需求越来越多。优质铸件对合金材料也提出了更高的要求,不仅要求材料具有较高的强度,而且要求具有较好的伸长率,以及优良的铸造性、可焊性。为了改善Al-Si-Mg铸造铝合金凝固组织中α-Al枝晶相和共晶
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京公网安备75号铸造铝合金热处理
．铸造铝合金热处理的特点和目的
& 前面提到，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，有的只要几十分钟。因为金属型铸造、低压铸造、差压铸造的铸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铸造、砂型铸造的铸件细很多，故其热处理的保温时间也短很多。铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀，有异形截面或内通道等复杂结构形状，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。
2．铸造铝合金热处理方法及操作技术要点
& （1）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280~300℃，保温2~3h，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，达到稳定尺寸、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。
& 合金在时效过程中，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-P
II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。
& ①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。
& ②完全人工时效。将铸件加热到175~185℃（较高温度下），保温5~24h，以获得足够的抗拉强度（即最高的硬度），但伸长率降低。
& ③过时效。也称稳定化回火。其工艺是：将铸件加热到190～230℃，保温4~9h，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。
4）循环处理。把铝合金铸件冷却到零下某个温度（如一50 ℃ , —70℃或一195 ℃）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，从而达到产品零件尺寸、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。
& （2）热处理操作技术要点
1）应根据铸件结构形状、尺寸、合金特性等制定的热处理工艺进行热处理。
2）热处理前应检查热处理设备、辅助设备、仪表等是否合格和正常，炉膛各处的温度差是否在规定的范围之内（±5
℃）。
& 3）装炉前铸件应吹砂或冲洗，应无油污、脏物、泥土，合金牌号不应相混。
4）形状易产生变形的铸件应放在专用的底盘或支架上，不允许有悬空的悬壁部分。
5)检查铸件性能的单铸或附铸试棒应随工件一起同炉热处理，以真实反映铸件的性能。
6)在保温期间应随时检查、校正炉膛各处温度，防止局部高温或烧化。
7)在断电后短时间不能恢复时，应将在保温中的铸件迅速出炉淬火，等恢复正常后，再装炉、保温和进行热处理。
8)在盐槽中淬过火的铸件，应在淬火后立即用热水冲洗，清除残盐，防止腐蚀。
9)发现淬火后铸件变形，应立即予以校正。
10）需要时效处理的铸件，应在淬火后0.5h内进行时效处理。
& 11）如经热处理后发现性能不合格，可重复进行热处理，但次数不得超过两次。
3．铸造铝合金热处理状态代号和工艺参数
& （1）铸造铝合金热处理状态代号、状态名称及其目的与应用见表2-29.
& （2）部分铸造铝合金热处理工艺参数& 常用铸造铝合金（27种）的热处理工艺参数，将在第6章作介绍，此处从略。除此之外的部分铸造铝合金热处理工艺参数，也是几十年生产实践的总结，现介绍如下，见表2-30。
热处理状态名称
目的与应用举例
未经淬火的
& 金属型或湿砂型铸造的合金，因冷却速度较
快，已得到一定程度的过饱和固溶体，即有部
分淬火效果。再进行人工时效，脱溶强化，则
可提高硬度和强度，并改善切削加工性能用于处理承受载荷不大的硬模铸件
对提高ZLl04、ZLl05等
合金的强度比较有效
时效温度约150～180℃，
保温时间为1～24h
消除铸件的内应力(铸造应力和机械加工引起的应力)，稳定铸件尺寸，并使A1-Si系合金的Si晶体球状化，提高其塑性用于要求使用过程中尺寸很稳定的铸件
对A1．si系合金效果比较
明显。铸件在铸造后或粗加
工后常进行此处理。
退火温度280～300℃，保
温时间为2～4h
淬火(固溶处理)，自然时效
& 通过加热保温，使可溶相溶解，然后急冷，使大量强化相固溶在a．固溶体内，获得过饱和固溶体，以提高合金的硬度、强度及耐蚀性
用于承受动载荷冲击作用的铸件
对A1．Mg系合金为最终热
处理；对需人工时效的其他合金则是预备热处理
淬火温度约500～535℃，
对Al-Mg系合金为435℃
全人工时效
& 可获得较高的强度和屈服强度，提高塑性，但耐蚀性会有所下降，特别是晶间腐蚀会有所增加
& 用于承受高静载荷及使用温度不很高的铸件
时效温度低，保温时间
短。时效温度约150～170℃，保温时间为3~5h
& 可获得最高的强度，而塑性稍有降低，耐蚀性也有所降低
用于承受高静载荷而不受冲击作用的零件
在较高温度和较长时间内
进行。时效温度约175～
185℃，保温时间5h以上
& 淬火+稳定
化回火(过时效)
用来稳定铸件尺寸和组织，提高抗腐蚀(特别是抗应力腐蚀)能力，并保持较高的力学性能
用于高温(300℃以下)工作的铸件
最好在接近铸件工作温度
的回火温度下进行回火温度为190～230℃
保温时间4～9h
使固溶体充分分解，析出的强化相聚集并球状化，以稳定铸件尺寸，提高合金的塑性，但抗拉强度有所降低用于要求高塑性的铸件
& 回火温度比17更高，约
230～270℃，保温时间3～
用来进一步稳定铸件的尺寸形状。其反复加热和冷却的温度及循环次数要根据零件的工作条件和合金的性质来决定
用于要求尺寸很精密、形状很稳定的铸件
机械加工后冷处理温度
—50℃、—70℃或—195℃，保持3~6h
循环处理按具体条件而定
固溶处理(淬火)
状态①
及温度／℃
适合小载荷铸件
消除应力使尺寸稳定
适于175℃工作的承
受大载荷的铸件
在中温工作的铸件要
求高塑性的铸件
承受中等载荷的铸件
承受大载荷的铸件
155±5（S）
175±5（J）
要求高强度高硬度的
在高温下工作的铸件
高强度高塑性的铸件
高载荷耐腐蚀的铸件
①T1一T8含义见表2-29。
4．铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防
& 铝合金铸件热处理后常见的质量问题有：力学性能不合格、变形、裂纹、过烧等缺陷，对其产生原因和消除与预防办法分述如下。
& （1）力学性能不合格&
通常表现为退火状态伸长率（δ5）偏低，淬火或时效处理后强度和伸长率不合格。其形成的原因有多种：如退火温度偏低、保温时间不足，或冷却速度太快；淬火温度偏低、保温时间不够，或冷却速度太慢（淬火介质温度过高）；不完全人工时效和完全人工时效温度偏高，或保温时间偏长；合金的化学成分出现偏差等。
消除这种缺陷，可采取以下方法：再次退火，提高加热温度或延长保温时间；提高淬火温度或延长保温时间，降低淬火介质温度；如再次淬火，则要调整其后的时效温度和时间；如成分出现偏差，则要根据具体的偏差元素、偏差量，改变或调整重复热处理的工艺参数等。
& （2）变形与翘曲& 通常在热处理后或随后的机械加工过程中，反映出铸件尺寸、形状的变化。产生这种缺陷的原因是：加热升温速度或淬火冷却速度太快（太激烈）；淬火温度太高；铸件的设计结构不合理（如两连接壁的壁厚相差太大，框形结构中加强筋太薄或太细小）；淬火时工件下水方向不当及装料方法不当等。
& 消除与预防的办法是：降低升温速度，提高淬火介质温度，或换成冷却速度稍慢的淬火介质，以防止合金内产生残余应力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纤维等隔热材料包覆薄壁部位；根据铸件结构、形状选择合理的下水方向或采用专用防变形的夹具；变形量不大的部位，则可在淬火后立即予以矫正。
& （3）裂纹& 表现为淬火后的铸件表面用肉眼可以看到明显的裂纹，或通过荧光检查肉眼看不见的微细裂纹。裂纹多曲折不直并呈暗灰色。产生裂纹的原因是：加热速度太快，淬火时冷却太快（淬火温度过高或淬火介质温度过低，或淬火介质冷却速度太快）；铸件结构设计不合理（两连接壁壁厚差太大，框形件中间的加强筋太薄或太细小）；装炉方法不当或下水方向不对；炉温不均匀，使铸件温度不均匀等。
& 消除与预防的办法是：减慢升温速度或采取等温淬火工艺；提高淬火介质温度或换成冷却速度慢的淬火介质；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔热材料；采用专用防开裂的淬火夹具，并选择正确的下水方向。
& （4）过烧& 表现为铸件表面有结瘤，合金的伸长率大大下降。产生过烧的原因是：合金中的低熔点杂质元素如Cd, Si,
Sb等的含量过高；加热不均匀或加热太快；炉内局部温度超过合金的过烧温度；测量和控制温度的仪表失灵，使炉内实际温度超过仪表指示温度值。
& 消除与预防的办法是：严格控制低熔点合金元素的含量不超标；以不超过3℃/min的速度缓慢升温；检查和控制炉内各区温度不超过±5℃；定期检查和校准温度测控仪表，确保仪表测温、示温、控温准确无误。
表面腐蚀表现为在铸件的表面出现斑纹或块状等，其色泽与铝合金铸件表面明显不同。产生这种缺陷的原因是：硝盐液中氯化物含量超标（＞0.5%）而对铸件表面（尤其是疏松、缩孔处）造成腐蚀；从硝盐槽中取出后没得到充分的清洗，硝盐粘附在铸件表面（尤其是窄缝隙、不通孔、通道中）造成腐蚀；硝盐液中混有酸或碱，或者铸件放在浓酸或浓碱附近受到腐蚀等。
& 消除与预防的办法是：尽量缩短铸件从炉内移到淬火槽中的时间；检查硝盐中氯化物的含量是否超标，如超标，则应降低其含量，从硝盐槽中加热的铸件应立即用温水或冷水冲洗干净；检查硝盐中酸和碱的含量，如有酸或碱则应中和或停止使用；不要把铝合金铸件放在有浓酸或浓碱的附近。
& （6）淬火不均匀表现为铸件的厚大部位（特别是其内部中心）的伸长率和硬度偏低，薄壁部位（特别是其表层）的硬度偏高。产生这类缺陷的原因是：铸件加热和冷却不均匀，厚大部位冷却和传热较慢。
& 消除与预防的办法是：重新进行热处理，降低升温速度，延长保温时间，使厚薄部位温度均匀一致；在薄壁部位涂敷保温性的涂料或包覆石棉等隔热性材料，尽量使铸件各部位同时冷却；使厚大部位先下水；换成有机淬火剂，降低冷却速度。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。真空低压消失模壳型铸造和消失模铸造铝合金组织和性能对比_铸造_中国百科网
真空低压消失模壳型铸造和消失模铸造铝合金组织和性能对比
    
　　利用光学显微镜(OM)、扫错电镜(SEM)等对真空低压消失模壳型铸造和消失模铸造A356 铝合金的组织和性能进行对比分析。结果表明：真空低压消失模壳型铸造A356 铝合金组织比消失模铸造A356 铝合金组织细小、致密，其初生相晶粒尺寸和共晶硅尺寸都远小于消失模铸造铝合金的，孔隙率低于消失模铸造铝合金的、密度高于消失模铸造铝合金的。真空低压消失模壳型铸造A356 合金的拉伸断裂方式以韧性断口为主，消失模铸造铝合金的断裂方式以脆性断口为主;铸件经T6 热处理后的抗拉强度、伸长率和布氏硬度分别达到278.27 MPa、8.10 %和93.1HB，较消失模铸件的分别提高了20.2 %、166.4 %和17.6 %;其铸件表面质量也优于消失模铸件的表面质量。
　　铸造铝合金具有优良的铸造性能、良好的耐腐蚀性能、较高的比强度和比刚度以及能近终成型等优点，因此，随着航空航天、汽车等工业的迅速发展，复杂薄壁铝合金精密铸件得到了越来越广泛的应用。真空低压消失模壳型铸造是一种适合生产复杂薄壁铝(镁)合金精密铸件的新方法，它是将消失模铸造泡沫模样精密成形技术、熔模铸造精密制壳技术以及低压铸造技术相结合开发的一种新工艺。首先，以消失模铸造的泡沫模为原型，利用熔模铸造制壳技术在泡沫原型表面结壳，经失模、焙烧后，型壳装入砂箱填砂造型，最后金属液在真空和压力双重作用下成形(见图1)。该技术综合了泡沫模样的成本低、收缩小、尺寸结构设计灵活及熔模铸造陶瓷型壳的精度高等优点，在浇注前脱去泡沫模样，可解决消失模铸造孔洞、夹杂等缺陷过多和浇注温度过高等问题;同时，金属液在真空与充型气体的双重压力进行充型和凝固，充型能力和补缩能力大大提高，因此，可获得高质量铸件。本文作者对真空低压消失模壳型铸造和消失模铸造两种工艺获得的A356 铝合金的组织和性能进行对比分析。
图1 真空低压消失模壳型铸造原理图
　　1、实验
　　采用发泡成型工艺制备密度为0.05 g/cm3 的泡沫模样，泡沫模样材料为可发性聚苯乙烯。在泡沫模样表面制备陶瓷型壳，经失模、焙烧后，将其装入砂箱中，并填入散干砂，实施振动紧实。选用的合金材料为A356 铝合金(成分见表1)，将预热的铝合金放入不锈钢坩埚中熔化，采用Sr 变质、氩气精炼除气。将砂箱推至低压铸造工位进行浇注。实验中，型壳未预热，充型压力和真空度分别为0.04 和0.02 MPa。消失模铸造用泡沫模密度为0.025 g/cm3，浇注温度为750 ℃，真空度为0.02 MPa，采用重力铸造方式。以上两种铸造工艺所采用的试样尺寸和合金处理方式均相同，在同一条件下进行比较。
表1 A356 铝合金的化学成分
　　从拉伸试样的接头处截取金相试样，采用0.5%HF(质量分数)溶液进行腐蚀，采用Me F&3 型金相显微镜进行组织观察。采用Image Tool 分析软件测定初生相晶粒平均面积A，然后利用公式D=2(A/&)1/2 来计算初生相晶粒的平均等效直径D。D 值越小，晶粒尺寸越小，否则晶粒尺寸越大。采用JX&2000 分析软件测定试样的断面孔隙率。试样密度由阿基米德原理计算。
　　拉伸试样为d10 mm 的标准试棒。对拉伸试样进行T6 热处理((淬火固溶，538 ℃，12 h)+(空冷时效165 ℃，6 h))，拉伸试验在WE&100 型600 kN 万能材料试验机上进行，拉伸速率为2 mm/min。采用HB&3000 型硬度测试机测定试样布氏硬度;采用QUAN TA&400 型扫描电子显微镜观察组织中共晶硅形貌、分析拉伸试样断口形貌和断口表面成分。
　　4、结论
　　1) 真空低压消失模壳型铸造A356 铝合金组织比消失模铸造A356 铝合金组织细小、致密，其初生相晶粒尺寸和共晶硅尺寸都远小于消失模铸件的，铸件孔隙率仅为0.16%，远低于消失模铸造件的孔隙率(1.97%)。
　　2) 真空低压消失模壳型铸造A356 铝合金经T6热处理后的拉伸断口韧窝形貌明显，韧窝较深，且分布均匀，为韧性断口为主的断裂方式;而消失模铸造A356 铝合金的拉伸断口韧窝较少、较浅，且分布不均匀，还存在缩孔和夹杂等缺陷，为脆性断口为主的断裂方式。
　　3) 真空低压消失模壳型铸造A356 铝合金的抗拉强度、伸长率和布氏硬度分别达到278.27 MPa、8.10%和93.1HB，比消失模铸造A356 铝合金的分别提高了20.2%、166.4%和17.6%。且铸件表面质量也优于消失模铸件的表面质量。
收录时间:日 01:56:21 来源:真空技术网 作者:蒋文明
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铝合金变质处理的研究
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