用于加強(qiáng)慢速淬火/冷卻鑄鋁部件的方法
【專利說明】用于加強(qiáng)慢速巧火/冷卻鑄錯部件的方法
[0001] 相關(guān)申請的參考 本申請是2009年3月5日提交的序列號為No. 12/398219,題目為"增強(qiáng)侶合金高壓模 鑄的機(jī)械性能的方法"的美國專利申請的部分續(xù)案。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及改進(jìn)侶合金的拉伸性能的方法和技術(shù)，特別是設(shè)及可熱處理的鑄侶合 金在固化和/或固溶處理之后的慢速冷卻/澤火W最小化殘余應(yīng)力和變形的方法和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003] 熱澤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，如許多鑄侶合 金，熱澤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)。在澤火后，固溶體中的加 強(qiáng)元素的過飽和程度強(qiáng)烈取決于澤火率?？焖贊苫?冷卻通常導(dǎo)致高的溶質(zhì)過飽和。因此， 將材料頻繁地澤火到冷水或溫水W最大化固溶（solution)過飽和。
[0004] 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澤火時，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W制造零件時，得到的變形是浪費(fèi)的并且難W糾正。盡管使用性能是減 少殘余應(yīng)力的重要因素，但另一個動機(jī)是為了在加工期間減少變形。
[0005] 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澤火介質(zhì)，例如熱/ 沸水、水-聚合體或聚合體溶液或甚至是強(qiáng)制空氣澤火。盡管空氣澤火是減少殘余應(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示出了采用空氣澤 火與采用水澤火的顯著減少氣缸蓋中的殘余應(yīng)力的實(shí)施例。圖2示出了采用空氣澤火減少 拉伸性能的實(shí)施例。
[0006] 因此，存在對固溶熱處理和/或固化后慢速澤火/冷卻的鑄侶部件的機(jī)械性能改 進(jìn)的方法的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明滿足了該個需求。提供了一種最大化侶合金的老化響應(yīng)和機(jī)械性能的方法 和技術(shù)。該些方法可應(yīng)用于所有老化硬化侶合金，包括鍛侶合金和鑄侶合金。
[000引在一種實(shí)施方式中，該改進(jìn)的用于慢速澤火/冷卻侶合金的加強(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、W連續(xù)的方式 或它們的組合?？蒞基于熱力學(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)老化時間隨預(yù)老化溫 度變化，并且當(dāng)該零件在室溫初始自然老化時，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l00°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、W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。隨后的在每個步 驟的老化時間從大約1小時變化至大約10小時，優(yōu)選的總的隨后老化時間在大約4至大約 8小時。
[0009] 在另一種實(shí)施方式中，提供了一種改進(jìn)可熱處理的侶合金的機(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，其中侶合金在大約室溫至大約l〇〇°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。
[0010] 本發(fā)明還提供了 W下方案： 1. 一種方法，其用于改進(jìn)可熱處理侶合金的機(jī)械性能，所述方法包括： 在所述侶合金的固溶處理溫度對所述侶合金進(jìn)行熱處理并持續(xù)第一段時間； 加熱所述熱處理侶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； 冷卻加熱的侶合金； 在大約室溫至大約l〇〇°C范圍的溫度下預(yù)老化所述冷卻的侶合金；W及 在高于預(yù)老化溫度的老化溫度下老化所述預(yù)老化的侶合金。
[0011] 2.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述侶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間，W及其中第二段時間大約與第一段時間相同。
[0012] 3.根據(jù)方案1所述的方法，其中加熱所述侶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。
[0013] 4.根據(jù)方案1所述的方法，其中老化所述預(yù)老化的侶合金是非等溫老化。
[0014] 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)。
[0015] 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侶合金，其中所述第 二老化溫度高于所述老化溫度。
[0016] 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)。
[0017] 8.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述侶合金包含Mg、化、Si或化中的至少一種。
[0018] 9.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述侶合金包含多于大約0. 2wt%的Mg ;多于大 約0. 5wt%的化；多于大約0. 5wt%的Si或多于大約0. 3wt%的化中的至少一種。
[0019] 10. -種方法，其用于改進(jìn)可熱處理侶合金的機(jī)械性能，所述方法包括： 在所述侶合金的固溶處理溫度對所述侶合金進(jìn)行熱處理并持續(xù)第一段時間； 加熱所述熱處理侶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； 冷卻加熱的侶合金至大約室溫； 在大約室溫至大約l〇〇°C范圍的溫度下預(yù)老化所述冷卻的侶合金；W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)老化的侶合金。
[0020] 11.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述侶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間，W及其中第二段時間大約與第一段時間相同。
[0021] 12.根據(jù)方案10所述的方法，其中加熱所述侶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。
[0022] 13.根據(jù)方案10所述的方法，其中老化所述預(yù)老化的侶合金是非等溫老化。
[0023] 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)。
[0024] 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)。
[0025] 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侶合金，其中所述 第二老化溫度高于所述老化溫度。
[0026] 17.根據(jù)方案10所述的方法，其中所述侶合金包含多于大約0. 2wt%的Mg ;多于 大約0. 5wt%的化；多于大約0. 5wt%的Si和多于大約0. 3wt%的化中的至少一種。
[0027] 18. -種方法，其用于改進(jìn)可熱處理侶合金的機(jī)械性能，所述方法包括： 在大約室溫至大約l〇〇°C范圍的溫度下預(yù)老化所述侶合金；W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)老化的侶合金。
[002引 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)。
[0029] 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)。
【附圖說明】
[0030] 圖1是氣缸蓋中殘余應(yīng)力分布的比較。
[0031] 圖2在水和空氣中澤火的鑄侶合金的拉伸性能的比較。
[0032] 圖3是用于慢速澤火鑄侶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。
[0033] 圖4是多步驟固溶處理的一種實(shí)施方式的示意圖。
[0034] 圖5是多步驟固溶處理的另一種實(shí)施方式的示意圖。
[0035] 圖6是用于慢速澤火鑄侶部件的非等溫固溶和分步老化過程的另一種實(shí)施方式 的不意圖。
[0036] 圖7是多步驟老化方案的一種實(shí)施方式的示意圖。
[0037] 圖8是在水澤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。 [003引圖9示意了使用該多步驟固溶和老化過程的不同實(shí)施方式的空氣澤火的 A356+l%Cu合金的屈服強(qiáng)度改進(jìn)的曲線圖。
[0039] 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澤火的A380合 金的屈服強(qiáng)度改進(jìn)的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 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間，老化產(chǎn)生沉淀硬 化。因?yàn)槌恋碛不莿恿W(xué)（kinetic)過程，所W澤火狀態(tài)侶基(溶液)在老化響應(yīng)中具有重 要作用。MgXu和Si是使用于侶合金的典型的硬化溶質(zhì)。Mg與Si組合W形成Mg/Si沉淀 物例如0 "，0 '和平衡MgsSi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e "沉淀物，而在峰值老化和過老化條件下，形成不可剪切的e ' 和平衡MggSi相。在侶合金中，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。化可于A1組合W形