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铸造铝合金轮毂T6热处理工艺的优化研究

时间:2011-05-27 14:17:51  来源:  作者:

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陈旷1,关绍康1,胡保健2,梁允勇370h中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

(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)70h中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 
 
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CCl4精炼,精炼5~8min,静置10~15min,变质细化在中间包进行,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。
1.jpg
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Mg2Si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。
2.jpg
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。
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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。
4.jpg
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,C1、C2为β析出峰,D为β平衡相析出峰。比较固溶和时效DSC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

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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

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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Mg2Si相数量增加,从而增加了合金时效后的硬度。
(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
 

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