铝合金时效处理工艺

来源:热处理工程师手册作者:叶卫平

铝合金固熔时效处理工艺规程

 

总体说明:

本技术规范规定了变形铝合金、铸造铝合金固溶时效强化处理的方式、工艺、设备及验收检验规则。

1 适用范围

本技术规范适用于电气化铁路接触网零件用变形铝合金fanwen.wenku1.com、铸造铝合金零件的热处理强化。

2 设备及要求

2.1 加热炉可选用箱式气流循环炉或带风扇搅动炉气的井式电阻炉。炉气加热元件应 屏蔽,其热量不能直射工件。炉温控温精度为±3℃,炉温均匀度应在±5℃范围内。 2.2 加热炉测温热电偶最少设置三根,分别在最低温处、最高温处和工件附近。连续 生产时,每月应按GB/T9455-1988和JB/T6049-1992规定的方法测量炉温均匀度。 2.3 淬火槽应满足零件淬火冷却时的需要,淬火液的温度不应超过5~40℃范围。淬火 槽应具有淬火液强制循环功能或具有搅动功能,保证淬火液温度均匀。

3 工艺参数

3.1 固溶淬火:

铝合金加热温度、保温时间、冷却方式按下表1选择:

3.2 时效:

铝合金加热温度、保温时间、冷却方式按下表2选择:

注:选择加热温度时应考虑所采用的加热设备和装炉方式、装炉量。

4 工艺要求

4.1 铝合金零件固溶处理加热要求热炉装料,随炉升温(不大于100℃/h)。

4.2 采用井式电阻炉加热时,零件应装在专用的装料筐内,零件之间应保持一定的间 距,以保证空气的流动。对采用箱式气流循环炉加热时,零件之间距离应保持50mm。 4.3 零件应有序的排放,防止因放置不当造成零件的变形或对螺纹、牙型造成损伤。 4.4 淬火时零件从加热炉到淬火槽时间间隔应不超过15S,淬火液应保持强制循环流 动,以保证零件能快速、均匀的冷却。零件在淬火液中停留时间最少不得小于2min。 4.5 淬火过程中不允许零件露出淬火液面。

4.6 固溶淬火后应立即进行时效处理,最长停留时间间隔不允许超过2h。

5 检验与验收

5.1 经固溶强化处理后的零件表面不允许出现裂纹、严重变形、过热、过烧。 5.2 每炉热处理必须要有不少于3根试棒(与配件同一批次的原材料),热处理完毕后对试棒做力学性能检测,待试验判定合格后,方可向下道序交接。

5.3 必要时抽3件配件做金相分析。

 

 
铝合金时效处理工艺说明  

 

铝合金的热处理

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、砂型铸造的铸件细很多,故其在热处理时的保温也短很多。铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀,有异形面或内通道等复杂结构外形,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。

一、热处理的目的

铝合金铸件热处理的目的是提高力学性能和耐腐蚀性能,稳定尺寸,改善切削加工和焊接等加工性能。因为许多铸态铝合金的机械性能不能满足使用要求,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机械性能和其它使用性能,具体有以下几个方面:1)消除由于铸件结构(如璧厚不均匀、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)提高合金的机械强度和硬度,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。

二、热处理方法

1、退火处理

退火处理的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力,稳定加工件的外形和尺寸,并使Al-Si系合金的部分Si结晶球状化,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、翘曲的目的。

2、淬fanwen.wenku1.com火

淬火是把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,多在500℃以上),保温2h以上,使合金内的可溶相充分溶解。然后,急速淬入60-100℃的水中,使铸件急冷,使强化组元在合金中得到最大限度的溶解并固定保存到室温。这种过程叫做淬火,也叫固溶处理或冷处理。

3、时效处理

时效处理,又称低温回火,是把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直至室温,使过饱和的固溶体分解,让合金基体组织稳定的工艺过程。

合金在时效处理过程中,随温度的上升和时间的延长,约经过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)和G-PⅠ区消失,第二相原子按一定规律偏聚并生成G-PⅡ区,之后生成亚稳定的第二相(过渡相),大量的G-PⅡ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。自然时效是指时效强化在室温下进行的时效。人工时效又分为不完全人工时效、完全人工时效、过时效3种。

1)不完全人工时效:把铸件加热到150-170℃,保温3-5h,以获得较好抗拉强度、良好的塑性和韧性,但抗蚀性较低的热处理工艺;2)完全人工时效:把铸件加热到175-185℃,保温5-24h,以获得足够的抗拉强度(即最高的硬度)但延伸率较低的热处理工艺;3)过时效:把铸件加热到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、抗腐蚀能力的工艺,也称稳定化回火

4、循环处理

把铝合金铸件冷却到零下某个温度(如-50℃、-70℃、-195℃)并保温一定时间,再把铸件加热到350℃以下,使合金中度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,达到提高产品零件尺寸、体积更稳定的目的。这种反复加热冷却的热处理工艺叫循环处理。这种处理适合使用中要求很精密、尺寸很稳定的零件(如检测仪器上的一些零件)。一般铸件均不作这种处理。

5、铸造铝合金热处理状态代号及含义

代号合金状态热处理的作用或目的说明

T1人工时效在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。再做人工时效,脱溶强化,则可提高硬度和机械强度,改善切削加工性。对提高Zl104、ZL105等合金的强度有效。T2退火主要作用在于消除铸件的内应力(铸造应力和机加工引起的应力),稳定铸件尺寸,并使Al-Si系合金的Si晶体球状化,提高其塑性。对Al-Si系合金效果比较明显,退火温度280-300℃,保温时间为2-4h。

T4固溶处理(淬火)加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α固溶体内,获得过饱和固溶体,以提高合金的硬度、强度及抗蚀性。对Al-Mg系合金为最终热处理,对需人工时效的其它合金则是预备热处理。

T5固溶处理(淬火)加不完全人工时效用来得到较高的强度和塑性,但抗蚀性会有所下降,非凡是晶间腐蚀会有所增加。时效温度低,保温时间短,时效温度约150-170℃,保温时间为3-5h。

T6固溶处理(淬火)加完全人工时效用来获得最高的强度,但塑性和抗蚀性有所降低。在较高温度和较长时间内进行。适用于要求高负荷的零件,时效温度约175-185℃,保温时间5h以上。

T7固溶处理(淬火)加稳定化回火用来稳定铸件尺寸和组织,提高抗腐蚀(非凡是抗应力腐蚀)能力,并保持较高的力学性能。多在接近零件的工作温度下进行。适合300℃以下高温工作的零件,回火温度为190-230℃,保温时间4-9h。T8固溶处理(淬火)加软化回火使固溶体充分分解,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,但抗拉强度下降。适合要求高塑性的铸件,回火温度约230-330℃,保温时间3-6h。

T9循环处理用来进一步稳定铸件的尺寸外形。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。适合要求尺寸、外形很精密稳定的零件。

三、热处理工艺

1、铸造铝合金热处理工艺参数

合金牌号合金代号热处理固溶处理时效处理(保温后空冷)

加热温度(℃)保温时间(h)淬火温度(℃)加热温度(℃)保温时间(h)ZAlSi7MgZL101

T2---300±102-4

T4535±52-620-100--

T5535±52-620-100150±52-4

T6535±52-620-100200±52-5

T7535±52-680-100225±53-5

T8535±52-680-100250±103-5

T5二阶段535±52-620-100190±100.5

150±52

ZAlSi7MgAZL101AT1---190±53-4

T2---300±102-4

T4535±510-1620-100--

T5535±510-1620-100175±56

ZAlSi12ZL102T2---300±102-4

ZAlSi9MgZL104T1---175±55-17

T6535±52-620-100175±510-15

ZAlSi5Cu1MgZL105T1

T5525±53-520-100

T6525±53-520-100

T7525±53-520-100---180±55-10175±55-10200±53-5230±103-5

ZAlSi5Cu1MgAZL105AT1---180±55-10

T5525±53-520-100175±55-10

T6525±53-520-100200±53-5

T7525±53-520-100230±103-5

T8525±53-520-100250±103-5

ZAlSi8Cu1MgZL106T1

T2---280±105-8

T5515±54-820-100

T6515±54-820-100

T7515±54-820-100---200±105-8170±58-16160±54-6230±53-5

ZAlSi7Cu4ZL107T6515±55-720-100170±105-7

ZAlSi12Cu2Mg1ZL108T1---190±58-12

T6515±56-820-70175±514-18

T7515±53-820-70240±106-10

ZAlSi12Cu1Mg1Ni1ZL109T1---205±58-12

T6515±56-820-70180±514-18

ZAlSi9Cu2MgZL111T6520±54-620-70180±56-8

ZAlSi7Mg1AZL114AT5535±52-720-100150±51-3

T6540±58-1265-100160±53-5

ZALSi5Zn1MgZL115T4550±51665-100--

T5550±51665-100160±54

ZAlSi8MgBeZL116T1---190±53-4

T2---300±102-4

T4535±510-1620-100--

T5535±510-1620-100175±56

T6535±510-1620-100160±53-8

ZAlCu5MnZAlCu5MnAZL201ZL201AT4545±510-1220-100--

T5545±55-920-100175±53-6

T7545±55-920-100250±103-10

ZAlCu10ZL202T2---290±53

ZAlCu4ZL203T4515±510-1520-100--

T5515±510-1520-100150±52-4

ZAlCu5MnCdAZL204AT6535±57-940-100175±53-5

T7535±57-940-100190±53-5

ZAlCu5MnCdVAZL205AT5535±510-1520-60155±58-10

T6535±510-1520-60175±53-5

T7535±510-1520-60195±53-5

ZAlRE5Cu3Si2ZL207T1---200±55-10

ZAlMg10ZL301T4430±1020100(或油)--

ZAlMg8Zn1ZL305T4455±56-880-100--

ZAlZn11Si7Zl401T1---200±105-10

T2---300±102-4

ZAlZn6MgZL402T1---175±56-8

T5---室温20天

T5---175±56-8

2、热处理操作技术要点

1)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℃);

2)装炉前应吹砂或冲洗,应无油污、脏物、泥土,合金牌号不应相混;

3)形性状易产生翘曲的铸件应放在专用的底盘或支架上,不答应有悬空的悬臂部分;

4)检查铸件性能的单铸或附铸试棒应随零件一起同炉处理,以真实反映铸件的性能;

5)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;

6)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、保暖和进行热处理;

7)在硝盐槽中淬过火的铸件,应在淬火后立即用热水冲洗,消除残盐,防止腐蚀;

8)发现淬火后铸件变形,应立即予以校正;

9)要时效处理的零件,应在淬火后0.5h内进行时效处理;

10)如在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2次;

11)应根据铸件结构外形、尺寸、合金特性等制定的热处理工艺进行热处理。

3、热处理缺陷的产生原因和消除与预防办法

缺陷名称缺陷表现产生原因消除与预防办法

力学性能不合格退火状态δ5偏低,淬火或时效处理后强度和延伸率不合格。退火温度偏低或保温时间不足,或冷却太快;淬火温度偏低或保温时间不够,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。再次退火,提高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参数。

变形、翘曲热处理后,或之后的机械加工中反映出来的铸件的尺寸、外形变化。加热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。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、外形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。