锻造铝合金轮毂T6热处理工艺的优化研究

锻造铝合金轮毂T6热处理工艺的优化研究 铸造铝合金轮毂T6热处理工艺的优化研究 1123陈旷，关绍康，胡保健,梁允勇 (1(郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450002;2(三门峡戴卡轮毂制造有限公司，河南三门峡472000;3(奇瑞汽车有限公司，安徽芜湖241009) 摘要:研究了固溶时间、淬火停留时间及涂装烘烤工艺对A356合金铸造轮毂性能的影响规律并优化了T6热处理工艺，将淬火停留时间缩短到2h。研究表明:未涂装时优化工艺使合金抗拉强度达到240MPa，屈服强度达到181MPa。伸长率达到8,;涂装后抗拉强度达到262MPa，屈服强度达到179MPa，伸长率达到9,，接近并达到目前国内T6工艺的强度性能，超过了国内轮毂行业的强度性能标准，具有一定的生产实际意义。 关键词:T6;涂装烘烤;A356;淬火停留时间 中图分类号:TG142(4文献标识码:A文章编号: 1001—3814(2006)06-0030-03 铝合金轮毂具有节油、真圆度好、散热性好、坚固耐用、外观美观和操作轻快等优点，作为钢制轮毂的良好替代品。已广泛应用于轿车和客车上。但由于铝合金热处理后需要经历一次涂装烘烤工序，相当于对合金进行一个后续热处理，以往的研究仅局限于合金T6工艺的研究，因此作者研究了固溶时间、淬火停留时间及涂装烘烤工艺对合金力学性能和组织的影响，并在研究基础上优化了T6工艺。研究表明，合金经优化工艺处理后其力学性能超过了目前国内A356合金低压铸造轮毂的标准，但比传统T6工艺的处理周期缩短了约8h，大大节约了生产成本。 1试验材料和试验方法 1(1原材料和试验设备 原材料为A356合金锭，99(7,以上的工业纯铝、纯镁锭、1#结晶硅，变质剂采用A1-10,Sr，细化剂选用A1(5Ti-1C，配制成符合要求的合金成 分;试验设备及测试仪器:5t燃气炉，德国GIMA低压铸造机，SX-4-10箱式电阻炉，WDW-50微机控制电子万能试验机。 1(2熔炼铸造工艺 熔炼在5t燃气炉中进行，熔炼温度为740,770?，精炼温度为740,760?(采用CCl精炼，精炼5,8min，静置10~15min，变质细化在中间4 包进行，其温度不低于720?，加入变质细化剂后，通氮精炼除气15,20min，倒入低压铸造机进行铸造，铸造温度不低于720?，铸造成特定规格的A356合金轮毂，其化学成分(质量分数，,)为:6.99Si，0.31Mg，0.086Ti，0.010Sr，0.148Fe，0.006Cu，0.010Mn，0.013Zn(余为Al。 1(3热处理工艺的制定 A356铸造轮毂热处理工艺为T6热处理;固溶保温时间选择0.5、1、2、3、4、5和6h:淬火停留时间选择0、2、4、6、8、10和12h。 模拟烘烤热处理工艺参数为:一级涂装(210?x20~25min);二级涂装:(160?x20~25min);三级涂装:(100?x20~25min)。 1(4力学性能测试和DSC分析 在轮毂上轮缘取样，制成标准力学性能试棒，热处理后，在WDW-50微机控制电子万能试验机上进行力学性能测试，拉伸速率为5mm,s;高温差热分析在DSC分析仪上进行。 2试验结果及分析 2(1固溶保温时间对力学性能和组织的影响 由图l可看出，固溶后的硬度随时间的延长增加不大，在3h后，合金的硬度趋于稳定，说明在固溶阶段(由于硅相的溶人而引起的硬度增加不是很大;时效后，合金的硬度随固溶时问的增加非常明显，尤其是前4h(4h后增长趋势变缓。 图1固溶保温时间对力学性能的影响 2(2淬火停留时间对力学性能的影响 图2为淬火停留时间对力学性能的影响，可看出，当淬火停留时间为2h，合金的硬度急剧增加，2h后，合金的硬度有所增加，但增加较为缓慢。文献[1]对Al-Mg-Si合金固溶后停留时间对合金时效强度的影响进行了实验研究，结果发现淬火停留时间为0,l2h，合金的强度增加较快。文献认为自然时效促使了合金固溶后GP区变成了强化相β相的形核部分，使人工时效后析出的MgSi2相数量增加，从而增加了合金时效后的硬度。文献【2】认为铸造A356合金轮毂的淬火停留时间以6~10h为佳，但研究表明，淬火停留时间为2h即可达到较为理想的强度性能。 图2淬火停留时间对力学性能的影响 2(3涂装工艺对合金力学性能的影响 研究了涂装烘烤工艺对合金强度和伸长率的影响，结果见图3，伸长率结果为未涂装及一、二级涂装后的伸长率为9,，三级涂装后为10,。结果表明，涂装烘烤工艺能够在一定程度上提高合金的强度，但对合金的伸长率没有太大影响。涂装工艺对抗拉强度和屈服强度的影响趋势是一致的，一级涂装后，合金的强度降低，二级涂装后，强度大大增加，三级涂装后，合金的强度又有所降低。 图3涂装烘烤工艺对A356合金强度的影响 对A356合金在固溶态、T6及三级涂装工艺处理后的试样进行DSC分析。结果见图4。 图4不同热处理工艺下A356合金DSC曲线 文献【3】研究A356合金屈服强度模型时指出，硅在α-Al中的固溶度为0.5,,1.2,，由于硅的固溶产生屈服强度增加不超过23MPa。关于Al-Mg-Si合金的强化机理，文献【4,6】认为，合金的脱溶序列为过饱和固溶体?GP区?β″相?β′相?β相，当形成GP区时，GP区与基体在边界附近产生弹性应变，阻碍了位错运动，提高了合金的强度;随着时效时间的延长，GP区迅速长大成针状或棒状即为β″相，其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大，它的弹性应力也最高，当β″相长大到一定的尺寸，它的应力场遍布整个基体，应变区几乎相连，此时合金的强度较高;在β″相的基础上，Mg、Si原子进一步富集形成局部共格的β′过渡相，其周围基体的弹性应变达到最大值，强度有所下降;当形成稳定的β相时，失去了与基体的共格关系。共格应变消失，强度相对有所下降。因此，合金强度的变化应主要归结为其沉淀析出相之间的转变。 对A356合金固溶DSC曲线进行分析，其中A点为GP区析出峰，B点为β″相析出峰，C、C为β析出峰，D为β平衡相析出峰。比较固溶和时效DSC12 曲线，β″和β′析出温度基本一样，但时效DSC曲线β″峰值明显高于固溶DSC 曲线，时效曲线β相析出温度增加，因为时效有利于强化相β″和β′相的析出，从而阻碍了平衡相β的析出。一级涂装曲线β相的析出温度降低，相比一级涂装，二级涂装曲线β相的温度增加，而三级涂装β相的析出温度又有所降低，且三级涂装β相析出峰值明显增加，而β″和β′相的峰值明显弱化。在A356合金中。合金的强度增加主要来自于β″和β′相的沉淀强化，而平衡相对合金的强度没有贡献。时效后，合金强度增加，由于时效过程中形成了大量弥散的β″和β′相，一级涂装后，有利于β″和β′相向平衡相β相的转变，强化相数量降低，从而使合金强度降低;二级涂装后。合金强度增加可能是因为二级涂装阻碍β″和β′相向平衡相β相的转变，而固溶体中空位和位错的释放使强化相增加的缘故;三级涂装后，合金平衡相β相大大增加，β″和β′相的数量减少，从而使合金的强度有所降低。 2(4优化T6工艺试验结果 根据上述试验结果。对T6工艺进行优化。按温度不变，固溶保温时间6h，淬火停留时间2h，时效时间4h进行试验，并与T6工艺进行对比分析结果见表1。可看出优化工艺的强度稍逊于T6工艺，三级涂装工艺后，缩小了两种工艺的强度差距，涂装后T6优化工艺性能明显高于T6工艺未涂装时的性能。T6优化工艺强度性能已完全达到并超过现国家轮毂行业强度性能标准。 表l T6工艺与优化工艺结果对比 T6工艺 T6优化工艺 未涂装 一级 二级 三级 未涂装 一级 二级 三级 抗拉强度,MPa 252 242 272 267 240 230 265 262 屈服强度,MPa 180 176 189 182 181 174 183 179 伸长率(,) 9 9 9 10 8 10 10 9 3结论 (1)A356合金在固溶阶段硬度的增加并不明显，随固溶时间的延长，合金的布氏硬度从73.9增加到77.1;时效后，合金的固溶时间对布氏硬度的影响 十分明显，由开始的77.1增加到94，在0-4h增加较为明显，4h后增加趋势 变缓。 (2)淬火停留时间0~2h，合金的硬度增加较为明显，2h后合金硬度增加变 缓，其原因是自然时效促使合金固溶后GP区变成了强化相β相的形核部分，使 人工时效后析出的MgSi相数量增加，从而增加了合金时效后的硬度。 2 (3)涂装烘烤工艺能够在不影响合金伸长率的前提下提高合金的强度，尤其 是抗拉强度，涂装工艺后，两种工艺下合金的抗拉强度增加了15-20MPa，屈 服强度增加并不明显。DSC分析认为涂装工艺通过改变强化相β″、β′相和平衡 相β相的转变温度和分布数量来强化合金的强度。 (4)T6优化工艺涂装烘烤处理后合金的性能达到并超过了目前国内A356 低压铸造轮毂行业的标准。 参考文献: 【1】 邓苏莲,A1MgSi和AlMgSiMn合金自然时效和人工时效之问的关系[J](铝加 工，1986，(1):26-27( 【2】 李友川，胡之亮,铸造铝合金轮毂热处理参数选择及其设备[J](轻台金加工技 术，1997，(25):33—39( 【3】 Romesteh P A，Schafer G B(An age harden model for A1-7Si-Mg casting alloys[J]Materials Scienceand Engineering，2002，A325: 424-434( 【4】 王盂君,6063铝合金时效工艺的研究[J](金属热处理，1998，(8):24( 【5】 颜建辉,热处理工艺对6063铝舍金强度和导电率的影响[J](热加工工艺，2004， (2):49—50( 【6】 Rafiq A(Siddiqui Influence of aging parameters on the mechanical properties of6063 aluminumalloy[J].Journal of Materials Processing Technology 2000102:234240