專利名稱：用于加強(qiáng)慢速淬火/冷卻鑄鋁部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)鋁合金的拉伸性能的方法和技術(shù)，特別是涉及可熱處理的鑄鋁合 金在固化和/或固溶處理之后的慢速冷卻/淬火以最小化殘余應(yīng)力和變形的方法和技術(shù)。
背景技術(shù)：
熱淬火在金屬物體的熱處理過程中很重要。對于老化可硬化材料，如許多鑄鋁合 金，熱淬火幫助逐漸形成過飽和固溶體用于隨后的沉淀硬化。通過隨后的老化/沉淀硬化 過程，較高的過飽和通常導(dǎo)致更好的機(jī)械性能(特別是屈服強(qiáng)度)。在淬火后，固溶體中的加 強(qiáng)元素的過飽和程度強(qiáng)烈取決于淬火率?？焖俅慊?冷卻通常導(dǎo)致高的溶質(zhì)過飽和。因此， 將材料頻繁地淬火到冷水或溫水以最大化固溶(soIution)過飽和。許多金屬零件，例如發(fā)動機(jī)氣缸體和氣缸蓋具有復(fù)雜的形狀和不同的壁厚度。即 使當(dāng)金屬零件在熱水或沸水中淬火時(shí)，也能夠在它們中逐漸形成大量的殘余應(yīng)力和變形。 當(dāng)需要緊密度公差以制造零件時(shí)，得到的變形是浪費(fèi)的并且難以糾正。盡管使用性能是減 少殘余應(yīng)力的重要因素，但另一個(gè)動機(jī)是為了在加工期間減少變形。一種減少零件的不同部分之間冷卻率的差別的方法是使用軟淬火介質(zhì)，例如熱/ 沸水、水-聚合體或聚合體溶液或甚至是強(qiáng)制空氣淬火。盡管空氣淬火是減少殘余應(yīng)力和 形變的最有效的方式之一，但是它會顯著地降低成品的機(jī)械性能。圖1示出了采用空氣淬 火與采用水淬火的顯著減少氣缸蓋中的殘余應(yīng)力的實(shí)施例。圖2示出了采用空氣淬火減少 拉伸性能的實(shí)施例。因此，存在對固溶熱處理和/或固化后慢速淬火/冷卻的鑄鋁部件的機(jī)械性能改 進(jìn)的方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了這個(gè)需求。提供了一種最大化鋁合金的老化響應(yīng)和機(jī)械性能的方法 和技術(shù)。這些方法可應(yīng)用于所有老化硬化鋁合金，包括鍛鋁合金和鑄鋁合金。在一種實(shí)施方式中，該改進(jìn)的用于慢速淬火/冷卻鋁合金的加強(qiáng)過程包括但不限 于，至少兩階段固溶處理和兩階段老化硬化。在固溶處理中，部件首先在合金的初始固溶處 理溫度(大約低于固相線5至10°C )下熱處理，隨后逐漸加熱至高于該材料的該初始固溶處 理溫度大約5°C至大約30°C。在固溶處理期間的該溫度增加能夠是分步的、以連續(xù)的方式 或它們的組合?？梢曰跓崃W(xué)和動力學(xué)確定和優(yōu)化該溫度變化輪廓。對于老化處理，鑄 件/部件首先在與隨后的老化步驟相比較低的溫度下老化，該溫度通常在大約室溫和大約 100°C之間。該優(yōu)選的預(yù)老化溫度在大約65°C至大約95°C之間。該預(yù)老化時(shí)間隨預(yù)老化溫
3度變化，并且當(dāng)該零件在室溫初始自然老化時(shí)，其能夠長至若干天或若干周。隨后的老化步 驟通常在高于大約100°C的溫度下進(jìn)行，例如，在大約140°C和大約240°C之間，優(yōu)選的溫度 在大約165°C和大約200°C之間。在隨后的老化過程中的溫度變化能夠是分步的、以連續(xù)的 方式或它們的組合。能夠基于熱力學(xué)和動力學(xué)確定和優(yōu)化溫度變化輪廓。隨后的在每個(gè)步 驟的老化時(shí)間從大約1小時(shí)變化至大約10小時(shí)，優(yōu)選的總的隨后老化時(shí)間在大約4至大約 8小時(shí)。在另一種實(shí)施方式中，提供了一種改進(jìn)可熱處理的鋁合金的機(jī)械性能的方法。該 方法包括至少兩階段老化過程。存在預(yù)老化階段，其中鋁合金在大約室溫至大約100°C范圍 的溫度下預(yù)老化，并且存在在高于預(yù)老化溫度的老化溫度下的非恒溫老化階段。本發(fā)明還提供了以下方案
1. 一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理鋁合金的機(jī)械性能，所述方法包括 在所述鋁合金的固溶處理溫度對所述鋁合金進(jìn)行熱處理并持續(xù)第一段時(shí)間； 加熱所述熱處理鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約5°c至大約30°C的溫度； 冷卻加熱的鋁合金；
在大約室溫至大約100°C范圍的溫度下預(yù)老化所述冷卻的鋁合金；以及 在高于預(yù)老化溫度的老化溫度下老化所述預(yù)老化的鋁合金。2.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述鋁合金在高于所述固溶處理溫度大約5°C至 大約30°C的溫度下保持第二段時(shí)間，以及其中第二段時(shí)間大約與第一段時(shí)間相同。3.根據(jù)方案1所述的方法，其中加熱所述鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約 5°C至大約30°C的溫度是非等溫加熱。4.根據(jù)方案1所述的方法，其中老化所述預(yù)老化的鋁合金是非等溫老化。5.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述預(yù)老化溫度在大約65°C至大約95°C的范圍 內(nèi)。6.根據(jù)方案1所述的方法，還包括在第二老化溫度老化所述鋁合金，其中所述第 二老化溫度高于所述老化溫度。7.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述老化溫度在大約140°C至大約240°C的范圍 內(nèi)。8.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述鋁合金包含Mg、Cu、Si或Si中的至少一種。9.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述鋁合金包含多于大約0. 2wt%的Mg ；多于大約 0. 5wt%的Cu ；多于大約0. 5wt%的Si或多于大約0. 3wt%的Zn中的至少一種。10. 一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理鋁合金的機(jī)械性能，所述方法包括 在所述鋁合金的固溶處理溫度對所述鋁合金進(jìn)行熱處理并持續(xù)第一段時(shí)間； 加熱所述熱處理鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約5°C至大約30°C的溫度； 冷卻加熱的鋁合金至大約室溫；
在大約室溫至大約100°C范圍的溫度下預(yù)老化所述冷卻的鋁合金；以及 在大約140°C至大約240°C范圍內(nèi)的老化溫度下老化所述預(yù)老化的鋁合金。11.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述鋁合金在高于所述固溶處理溫度大約5°C 至大約30°C的溫度下保持第二段時(shí)間，以及其中第二段時(shí)間大約與第一段時(shí)間相同。12.根據(jù)方案10所述的方法，其中加熱所述鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約5°C至大約30°C的溫度是非等溫加熱。13.根據(jù)方案10所述的方法，其中老化所述預(yù)老化的鋁合金是非等溫老化。14.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述預(yù)老化溫度在大約65°C至大約95°C的范圍 內(nèi)。15.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述老化溫度在大約165°C至大約200°C的范圍 內(nèi)。16.根據(jù)方案10所述的方法，還包括在第二老化溫度老化所述鋁合金，其中所述 第二老化溫度高于所述老化溫度。17.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述鋁合金包含多于大約0.2wt% 多于大 約0. 5wt%的Cu ；多于大約0. 5wt%的Si和多于大約0. 3wt%的Zn中的至少一種。18. 一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理鋁合金的機(jī)械性能，所述方法包括 在大約室溫至大約100°C范圍的溫度下預(yù)老化所述鋁合金；以及
在高于所述預(yù)老化溫度的老化溫度下非等溫老化預(yù)老化的鋁合金。19.根據(jù)方案18所述的方法，其中所述預(yù)老化溫度在大約65°C至大約95°C的范圍 內(nèi)。20.根據(jù)方案18所述的方法，其中所述老化溫度在大約165°C至大約200°C的范圍 內(nèi)。


圖1是氣缸蓋中殘余應(yīng)力分布的比較。圖2在水和空氣中淬火的鑄鋁合金的拉伸性能的比較。圖3是用于慢速淬火鑄鋁部件的多步驟固溶和老化過程的一種實(shí)施方式的示意 圖。圖4是多步驟固溶處理的一種實(shí)施方式的示意圖。圖5是多步驟固溶處理的另一種實(shí)施方式的示意圖。圖6是用于慢速淬火鑄鋁部件的非等溫固溶和分步老化過程的另一種實(shí)施方式 的示意圖。圖7是多步驟老化方案的一種實(shí)施方式的示意圖。圖8是在水淬火和空氣冷卻條件下的HPDC合金(A380)的預(yù)老化響應(yīng)的比較。圖9示意了使用該多步驟固溶和老化過程的不同實(shí)施方式的空氣淬火的 A356+l%Cu合金的屈服強(qiáng)度改進(jìn)的曲線圖。圖10示意了使用該多步驟老化過程的不同實(shí)施方式的鑄的和空氣淬火的A380合 金的屈服強(qiáng)度改進(jìn)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式通過將部件加熱至一定溫度然后在該溫度保持該鑄件一段時(shí)間，老化產(chǎn)生沉淀硬 化。因?yàn)槌恋碛不莿恿W(xué)(kinetic)過程，所以淬火狀態(tài)鋁基(溶液)在老化響應(yīng)中具有重 要作用。Mg、Cu和Si是使用于鋁合金的典型的硬化溶質(zhì)。Mg與Si組合以形成Mg/Si沉淀 物例如β “，β ‘和平衡Mg2Si相。實(shí)際的沉淀物類型、量和大小取決于老化條件。老化不足傾向于形成可剪切的β “沉淀物，而在峰值老化和過老化條件下，形成不可剪切的β ‘ 和平衡Mg2Si相。在鋁合金中，單獨(dú)Si能夠形成Si沉淀物，但是該加強(qiáng)不像Mg/Si沉淀物 那樣有效。Cu可于Al組合以形成許多亞穩(wěn)的沉淀相，例如Al-Si-Mg-Cu合金中的θ ‘、θ。 與Mg/Si沉淀物相似，實(shí)際的沉淀物類型、尺寸和量取決于老化條件和合金成分。
為了獲得本發(fā)明的全部優(yōu)點(diǎn)，鋁合金應(yīng)包含老化硬化元素(溶質(zhì))，特別是包括Mg、 Cu、Si和Si。需要的是，老化硬化溶質(zhì)的含量應(yīng)滿足一定的最小量。鋁合金中的Mg含量期 望地多于大約0. 2wt%，優(yōu)選的水平是大約0. 3襯％或更高。銅含量期望地多于大約0. 5wt%, 優(yōu)選的水平是大約0. 5襯％或更高。鋁合金中的Si含量期望地多于大約0. 5wt%0對于鑄鋁 合金，優(yōu)選的Si含量期望地大約為5%或更高。Zn是非常重要的元素，其在相對低的溫度下 (大約75至大約100°C )與Mg結(jié)合形成MgZn2沉淀物。Si含量期望地多于大約0. 3wt%,優(yōu) 選的水平是大約0. 5wt%或更高。圖3示意了多步驟固溶和老化過程的一種實(shí)施方式。采用開發(fā)的技術(shù)，慢速淬火 的鑄鋁部件的拉伸強(qiáng)度能夠增加至少大約10%。在固溶處理期間，為了最大化溶質(zhì)溶解，在兩個(gè)或更多階段中熱處理該部件。首 先在初始固溶溫度下處理該部件，例如，對于A356合金在大約540°C，對于319合金在大約 490°C，用特定固溶處理使時(shí)間的大約一半的時(shí)段處理。之后，部件被加熱到高于初始固溶 溫度的大約5°C至大約30°C，并在該溫度保持該部件的另一半該特定固溶處理時(shí)間。假設(shè) 不產(chǎn)生初熔，則在第二步中優(yōu)選采用較高的溫度。圖4示意性地示出了提出的多步驟固溶 處理的實(shí)施例。固溶處理溫度隨著合金而變化，并與合金的固相線相關(guān)。能夠基于熱力學(xué)精確計(jì) 算合金的固相線，或能夠?qū)嶒?yàn)地確定固相線。通常，固溶處理溫度應(yīng)低于溶質(zhì)以避免任何初 熔。教科書和手冊為許多商業(yè)合金提供了固溶溫度。在很多情況中，在手冊或教科書中記 錄的溫度是實(shí)驗(yàn)地確定的。在固溶處理期間的溫度變化不需要分步增加。該溫度可基于合金熔點(diǎn)變化逐漸增 加，合金熔點(diǎn)變化歸因于低熔點(diǎn)的金屬間相的連續(xù)溶解。在鋁合金中，固溶熱處理涉及金屬 間的溶解、微觀偏析的減少以及第二相顆粒的斷裂和球狀化(spherodization)。在固溶處 理過程中，根據(jù)擴(kuò)散動力學(xué)，材料中的低熔點(diǎn)平衡相被逐漸地溶解(dissolve)。結(jié)果，剩下 材料的熔點(diǎn)變得很高，并且合金能夠被逐漸加熱到較高溫度，如圖5所示。最大的可行的固溶處理溫度在給定時(shí)間內(nèi)取決于微結(jié)構(gòu)演變的狀態(tài)和材料存在 的相。固溶處理溫度的上限Tsol應(yīng)不超過剩下的相的最低熔點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理鋁合金的機(jī)械性能，所述方法包括 在所述鋁合金的固溶處理溫度對所述鋁合金進(jìn)行熱處理并持續(xù)第一段時(shí)間； 加熱所述熱處理鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約5°c至大約30°C的溫度； 冷卻加熱的鋁合金；在大約室溫至大約100°C范圍的溫度下預(yù)老化所述冷卻的鋁合金；以及 在高于預(yù)老化溫度的老化溫度下老化所述預(yù)老化的鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鋁合金在高于所述固溶處理溫度大約5°C至 大約30°C的溫度下保持第二段時(shí)間，以及其中第二段時(shí)間大約與第一段時(shí)間相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中加熱所述鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約 5°C至大約30°C的溫度是非等溫加熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中老化所述預(yù)老化的鋁合金是非等溫老化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)老化溫度在大約65°C至大約95°C的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在第二老化溫度老化所述鋁合金，其中所述第 二老化溫度高于所述老化溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述老化溫度在大約140°C至大約240°C的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鋁合金包含Mg、Cu、Si或Si中的至少一種。
9.一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理鋁合金的機(jī)械性能，所述方法包括 在所述鋁合金的固溶處理溫度對所述鋁合金進(jìn)行熱處理并持續(xù)第一段時(shí)間； 加熱所述熱處理鋁合金至高于所述固溶處理溫度大約5°C至大約30°C的溫度； 冷卻加熱的鋁合金至大約室溫；在大約室溫至大約100°C范圍的溫度下預(yù)老化所述冷卻的鋁合金；以及 在大約140°C至大約240°C范圍內(nèi)的老化溫度下老化所述預(yù)老化的鋁合金。
10.一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理鋁合金的機(jī)械性能，所述方法包括 在大約室溫至大約100°c范圍的溫度下預(yù)老化所述鋁合金；以及在高于所述預(yù)老化溫度的老化溫度下非等溫老化預(yù)老化的鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于加強(qiáng)慢速淬火/冷卻鑄鋁部件的方法，具體地，提供了一種最大化鋁合金的老化響應(yīng)和機(jī)械性能的方法和技術(shù)。在一種實(shí)施方式中，慢速淬火的鋁合金的老化過程包括但不限于，至少一個(gè)兩階段固溶處理和一個(gè)兩階段老化硬化。在固溶處理中，所述部件首先在初始固溶處理溫度下加熱處理，隨后逐級加熱到高于材料的初始固溶處理溫度大約5℃至大約30℃。對于老化處理，鑄件/部件首先在較低溫度老化，接下來在較高溫度進(jìn)行隨后的老化階段。在固溶處理和/或老化期間的溫度增加能夠分步地、以連續(xù)的方式、或它們的組合。另一種實(shí)施方式包括兩階段老化過程，其中存在非等溫老化步驟。
文檔編號C22F1/04GK102115859SQ20111000168
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者D·A·杰拉爾德, Q·王 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司