一种真空高压压铸铝合金铸件热处理方法

摘要

本发明提供一种真空高压压铸铝合金铸件热处理方法，实现对高压压铸铝合金铸件进行阶梯性升温的高温短时固溶处理，随后进行液氮深冷处理，增强后续时效处理效果。在操作过程中采用阶梯式升温过程，使低熔点相先在相对低温进行溶解，再次升温后使得合金中共晶硅充分粒化，这样避免因过烧产生的组织内部出现裂纹和性能降低；在固溶处理并淬火后人工时效处理前先采用深冷处理，使铸件收缩产生巨大的而收缩应力，在组织中引入大量位错，为时效时第二相弥散析出提供大量形核质点，增强时效强化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于真空高压压铸Al-Si-Cu-Mg合金铸件的热处理方法，属于高压压铸铝合金压铸件热处理领域。

背景技术

随着全球经济的发展，能源消耗显著增加，环境污染日趋严重。现代汽车节能降耗要求不断高涨，安全和环保法规日趋严格，汽车轻量化的要求更为迫切。而铝合金以其高的比强度，良好的耐腐蚀性和成型性和耐腐蚀性能，以及回收率高等优点，对降低汽车自重、减少油耗，减轻环境污染与改善操作性能等方面有着重大意义，已成为汽车工业首选材料。

汽车发动机缸体一般采用砂型铸造、重力铸造、低压铸造或高压压铸。当前在工业中应用最多的压铸铝合金材料为Al-Si-Cu系合金，如国内的YL112、YL113，日本的ADC12、ADC10，以及美国的A380等。

高压压铸工艺生产率高、生产规模大，质量好且减少了重量。但是高压铸造在铸造诸如汽车离合器壳体、齿轮箱、发动机缸体、轿车底盘的悬挂系统零件等部件时，由于压射过程中的高压高速，容易在成型过程中造成卷气，逐渐内部形成气孔等缺陷，减少了有效负载面积和铸件的致密度，且高温热处理时铸件表面会发生鼓泡，铸件尺寸会发生宏观形变。因此压铸件及高压压铸件一般不进行热处理，尤其是高温固溶处理。但是随着现代汽车燃油经济性的提高，功率密度的增加，对铝合金发动机力学性能提出了更高的要求。

申请号为201210338674.3的专利文献描述了用高压压铸铸造ADC12的气缸体的热处理方法，其采用固溶温度440℃~460℃固溶处理1~2h后淬火时效，时效温度150~200℃，时效时间2~5h。根据笔者实践，对于我国YL113合金，Si含量在11%左右，采用该方法受固溶温度低的影响，需采用长时间固溶处理才能使粗大针片状共晶Si粒化。

在申请号为200580044801.7的专利文献中公开了一种用于热处理通过高压压铸制造的铸件的方法。该方法将压铸件加热至允许溶质元素进入固溶体（固溶处理）的温度范围内，即加热至低于铸件合金固相线熔化温度20~150℃的范围内，持续小于30min的一段时间后淬火，优选在130~220℃范围内人工时效。由于该发明所使用的短的时间范围合金没有完全均匀化或者平衡，并且在该温度下经过给定的持续时间，据期所形成的固溶体不会完全处于平衡，即该固溶处理相对于铝合金热处理的当前实践效果上是不完全的。

为了减少铸件中的孔隙和气体，高性能高压压铸铝铸件通常采用真空系统。然而在许多情况下，压铸件的孔隙结构和气体的残留水平仍过高，仍然不允许热处理。

发明内容

本发明的目的在于，针对以上技术的不足，提供一种高性能铝合金真空高压压铸件热处理方法，即固溶处理阶段采用阶梯式加热方法，实现对高压压铸铝合金铸件进行高温短时固溶处理，随后在人工时效前对铸件进行深冷处理，增强后续时效处理效果，且在处理过程中避免其出现表面鼓泡、内部裂纹和晶粒长大现象。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种高性能铝合金真空高压压铸件热处理方法，具体操作步骤如下：

（1）将铝合金高压压铸件以4℃～8℃/min速度升到465℃～475℃，固溶处理30min～60min；然后继续升温到485℃～495℃固溶处理10min～15min。固溶处理结束后立即投入到水中（室温）淬火；

（2）将淬火后的铝合金高压压铸件室温放置1h～12h；

（3）随后将铝合金高压压铸件投入到液氮中进行深冷处理8h～24h，液氮的温度为-197℃；

（4）将深冷处理后的铝合金真空压铸件在时效炉中时效，时效温度160℃～200℃，时效时间4h～9h；

（5）时效后空冷。

本发明中在实验中所述的铝合金高压铸件是汽车的缸体，其材料是GB/T15115-94标准铝合金。所述深冷处理的优选时间为12h～16h；所述时效过程的优选条件为170℃～200℃，时效时间4h～6h。

本发明的有益效果是：对于YL113（ADC12）合金这一类富铜的Al-Si-Cu-Mg合金，根据相图和差热分析知道，该合金中主要强化相Al₂Cu相在502.7℃开始吸热熔化成液相；在低熔点相未充分溶解时，采用高温固溶处理（520℃），部分低熔点相将会熔化，产生过烧，造成组织内部裂纹和性能降低，故步骤（2）采用阶梯式加热，先在低温（465℃～475℃）长时（30min～60min）固溶，然后升到高温（485℃～495℃）短时（10min～15min）固溶，从而使低熔点第二相溶解和共晶Si充分粒化；步骤（4）采用深冷处理，液氮的温度为-197℃，将铸件在液氮中保温一定时间，铸件在液氮深冷作用下，将收缩产生巨大的收缩应力，在组织中引入大量位错，这些位错和溶质原子产生交互作用，引起强化，大量位错亦为后续时效过程中沉淀相的弥散析出提供更多的形核质点。

附图说明

图1热处理工艺示意图；

图2不同高温固溶处理高压压铸YL113合金缸体铸件表面鼓泡情况；

图3不同高温与时长的固溶处理工艺下高压压铸YL113合金缸体铸件基体显微硬度。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，选用汽车的缸体为处理对象，其由高压压铸方法铸造而成，缸体的材料是GB/T15115-94标准铝合金，测试铸件为高压压铸YL113合金缸体铸件。

如图2、3所示可以看出不同高温固溶处理对高压压铸YL113合金缸体铸件的影响，图2中可看到普通的高温固溶处理会使铸件表面出现明显鼓泡；由图3可以看出，经固溶处理后，YL113合金基体α(Al)和显微硬度均高于铸态时基体α(Al)硬度（88.2HV），其中490℃固溶15min显微硬度最高（133.5HV），比铸态时显微硬度提高了51.3%。

以下实施例中按照本发明所提供的工艺对合金铸件进行热处理，可发现鼓泡现象得到明显改善，且使得铸件的显微硬度得到明显提高。

实施例1

一种高性能铝合金真空压铸件热处理工艺，包括如下步骤：

（1）将铝合金高压压铸件首先以5℃/min速度升到465℃固溶处理60min，然后继续升到495℃固溶处理10min后立即投入到水中（室温）淬火；

（2）将淬火后的铝合金高压压铸件室温放置9h；

（3）随后将铝合金高压压铸件投入到液氮中进行深冷处理12h，液氮的温度为-197℃；

（4）将深冷处理后的铝合金真空压铸件在时效炉中时效，时效温度200℃，时效时间4h；

（5）时效后空冷；

（6）测试铸件基体显微硬度，比未热处理基体显微硬度提高56%（5个测试点的平均值），较普通高温下固溶处理也有明显提高。

实施例2

一种高性能铝合金真空压铸件热处理工艺，包括如下步骤：

（1）将铝合金高压压铸件以8℃/min速度升到470℃固溶处理50min，然后继续升到490℃固溶处理10min后立即投入到水中（室温）淬火；

（2）将淬火后的铝合金高压压铸件室温放置10h；

（3）随后将铝合金高压压铸件投入到液氮中进行深冷处理14h，液氮的温度为-197℃；

（4）将深冷处理后的铝合金真空压铸件在时效炉中时效，时效温度180℃，时效时间5h；

（5）时效后空冷；

（6）测试铸件基体显微硬度，比未热处理基体显微硬度提高62%（5个测试点的平均值），较普通高温下固溶处理也有明显提高。

实施例3

一种高性能铝合金真空压铸件热处理工艺，包括如下步骤：

（1）将铝合金高压压铸件以4℃/min速度升到475℃固溶处理30min，然后继续升到485℃固溶处理15min，后立即投入到水中（室温）淬火；

（2）将淬火后的铝合金高压压铸件室温放置6h；

（3）随后将铝合金高压压铸件投入到液氮中进行深冷处理16h；

（4）将深冷处理后的铝合金真空压铸件在时效炉中时效，时效温度170℃，时效时间6h；

（5）时效后空冷；

（6）测试铸件基体显微硬度，比未热处理基体显微硬度提高58%（5个测试点的平均值），较普通高温下固溶处理也有明显提高。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从那一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。