鑄造鋁合金熱處理質(zhì)量缺陷及其消除與預防

鋁合金鑄件熱處理后常見的質(zhì)量問題有：力學性能不合格、變形、裂紋、過燒等缺陷，對其產(chǎn)生原因和消除與預防辦法分述如下。   

（1）力學性能不合格

通常表現(xiàn)為退火狀態(tài)伸長率（δ5）偏低，淬火或時效處理后強度和伸長率不合格。

其形成的原因有多種：如退火溫度偏低、保溫時間不足，或冷卻速度太快；淬火溫度偏低、保溫時間不夠，或冷卻速度太慢（淬火介質(zhì)溫度過高）；不完全人工時效和完全人工時效溫度偏高，或保溫時間偏長；合金的化學成分出現(xiàn)偏差等。  

消除這種缺陷，可采取以下方法：再次退火，提高加熱溫度或延長保溫時間；提高淬火溫度或延長保溫時間，降低淬火介質(zhì)溫度；如再次淬火，則要調(diào)整其后的時效溫度和時間；如成分出現(xiàn)偏差，則要根據(jù)具體的偏差元素、偏差量，改變或調(diào)整重復熱處理的工藝參數(shù)等。  

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下圖為鋁合金鑄造熱處理爐

（2）變形與翹曲

通常在熱處理后或隨后的機械加工過程中，反映出鑄件尺寸、形狀的變化。

產(chǎn)生這種缺陷的原因是：加熱升溫速度或淬火冷卻速度太快（太激烈）；淬火溫度太高；鑄件的設計結(jié)構(gòu)不合理（如兩連接壁的壁厚相差太大，框形結(jié)構(gòu)中加強筋太薄或太細小）；淬火時工件下水方向不當及裝料方法不當?shù)取?/p>

消除與預防的辦法是：降低升溫速度，提高淬火介質(zhì)溫度，或換成冷卻速度稍慢的淬火介質(zhì)，以防止合金內(nèi)產(chǎn)生殘余應力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纖維等隔熱材料包覆薄壁部位；根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、形狀選擇合理的下水方向或采用專用防變形的夾具；變形量不大的部位，則可在淬火后立即予以矯正。  

（3）裂紋

表現(xiàn)為淬火后的鑄件表面用肉眼可以看到明顯的裂紋，或通過熒光檢查肉眼看不見的微細裂紋。裂紋多曲折不直并呈暗灰色。

產(chǎn)生裂紋的原因是：加熱速度太快，淬火時冷卻太快（淬火溫度過高或淬火介質(zhì)溫度過低，或淬火介質(zhì)冷卻速度太快）；鑄件結(jié)構(gòu)設計不合理（兩連接壁壁厚差太大，框形件中間的加強筋太薄或太細小）；裝爐方法不當或下水方向不對；爐溫不均勻，使鑄件溫度不均勻等。

消除與預防的辦法是：減慢升溫速度或采取等溫淬火工藝；提高淬火介質(zhì)溫度或換成冷卻速度慢的淬火介質(zhì)；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔熱材料；采用專用防開裂的淬火夾具，并選擇正確的下水方向。  

（4）過燒

表現(xiàn)為鑄件表面有結(jié)瘤，合金的伸長率大大下降。

產(chǎn)生過燒的原因是：合金中的低熔點雜質(zhì)元素如Cd, Si, Sb等的含量過高；加熱不均勻或加熱太快；爐內(nèi)局部溫度超過合金的過燒溫度；測量和控制溫度的儀表失靈，使爐內(nèi)實際溫度超過儀表指示溫度值。  

消除與預防的辦法是：嚴格控制低熔點合金元素的含量不超標；以不超過3℃/min的速度緩慢升溫；檢查和控制爐內(nèi)各區(qū)溫度不超過±5℃；定期檢查和校準溫度測控儀表，確保儀表測溫、示溫、控溫準確無誤。

(5) 表面腐蝕

表現(xiàn)為在鑄件的表面出現(xiàn)斑紋或塊狀等，其色澤與鋁合金鑄件表面明顯不同。

產(chǎn)生這種缺陷的原因是：硝鹽液中氯化物含量超標（＞0.5%）而對鑄件表面（尤其是疏松、縮孔處）造成腐蝕；從硝鹽槽中取出后沒得到充分的清洗，硝鹽粘附在鑄件表面（尤其是窄縫隙、不通孔、通道中）造成腐蝕；硝鹽液中混有酸或堿，或者鑄件放在濃酸或濃堿附近受到腐蝕等。  

消除與預防的辦法是：盡量縮短鑄件從爐內(nèi)移到淬火槽中的時間；檢查硝鹽中氯化物的含量是否超標，如超標，則應降低其含量，從硝鹽槽中加熱的鑄件應立即用溫水或冷水沖洗干凈；檢查硝鹽中酸和堿的含量，如有酸或堿則應中和或停止使用；不要把鋁合金鑄件放在有濃酸或濃堿的附近。  

（6）淬火不均勻

表現(xiàn)為鑄件的厚大部位（特別是其內(nèi)部中心）的伸長率和硬度偏低，薄壁部位（特別是其表層）的硬度偏高。

產(chǎn)生這類缺陷的原因是：鑄件加熱和冷卻不均勻，厚大部位冷卻和傳熱較慢。  

消除與預防的辦法是：重新進行熱處理，降低升溫速度，延長保溫時間，使厚薄部位溫度均勻一致；在薄壁部位涂敷保溫性的涂料或包覆石棉等隔熱性材料，盡量使鑄件各部位同時冷卻；使厚大部位先下水；換成有機淬火劑，降低冷卻速度。

鋁合金的熱處理  

鑄造鋁合金的金相組織比變形鋁合金的金相組織粗大，因而在熱處理時也有所不同。前者保溫時間長，一般都在2h以上，而后者保溫時間短，只要幾十分鐘。因為金屬型鑄件、低壓鑄造件   

鑄造鋁合金的金相組織比變形鋁合金的金相組織粗大，因而在熱處理時也有所不同。前者保溫時間長，一般都在2h以上，而后者保溫時間短，只要幾十分鐘。因為金屬型鑄件、低壓鑄造件、差壓鑄造件是在比較大的冷卻速度和壓力下結(jié)晶凝固的，其結(jié)晶組織比石膏型、砂型鑄造的鑄件細很多，故其在熱處理時的保溫也短很多。

鑄造鋁合金與變形鋁合金的另一不同點是壁厚不均勻，有異形面或內(nèi)通道等復雜結(jié)構(gòu)外形，為保證熱處理時不變形或開裂，有時還要設計專用夾具予以保護，并且淬火介質(zhì)的溫度也比變形鋁合金高，故一般多采用人工時效來縮短熱處理周期和提高鑄件的性能。  

一、熱處理的目的   

鋁合金鑄件熱處理的目的是提高力學性能和耐腐蝕性能，穩(wěn)定尺寸，改善切削加工和焊接等加工性能。因為許多鑄態(tài)鋁合金的機械性能不能滿足使用要求，除Al-Si系的ZL102，Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的鑄造鋁合金都要通過熱處理來進一步提高鑄件的機械性能和其它使用性能，具體有以下幾個方面：

1）消除由于鑄件結(jié)構(gòu)（如璧厚不均勻、轉(zhuǎn)接處厚大）等原因使鑄件在結(jié)晶凝固時因冷卻速度不均勻所造成的內(nèi)應力；

2）提高合金的機械強度和硬度，改善金相組織，保證合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能；

3）穩(wěn)定鑄件的組織和尺寸，防止和消除高溫相變而使體積發(fā)生變化；

4）消除晶間和成分偏析，使組織均勻化。

二、熱處理方法  

1、退火處理   

退火處理的作用是消除鑄件的鑄造應力和機械加工引起的內(nèi)應力，穩(wěn)定加工件的外形和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si結(jié)晶球狀化，改善合金的塑性。其工藝是：將鋁合金鑄件加熱到280-300℃，保溫2-3h，隨爐冷卻到室溫，使固溶體慢慢發(fā)生分解，析出的第二質(zhì)點聚集，從而消除鑄件的內(nèi)應力，達到穩(wěn)定尺寸、提高塑性、減少變形、翹曲的目的。

2、淬火   

淬火是把鋁合金鑄件加熱到較高的溫度（一般在接近于共晶體的熔點，多在500℃以上），保溫2h以上，使合金內(nèi)的可溶相充分溶解。然后，急速淬入60-100℃的水中，使鑄件急冷，使強化組元在合金中得到最大限度的溶解并固定保存到室溫。這種過程叫做淬火，也叫固溶處理或冷處理。  

3、時效處理   

時效處理，又稱低溫回火，是把經(jīng)過淬火的鋁合金鑄件加熱到某個溫度，保溫一定時間出爐空冷直至室溫，使過飽和的固溶體分解，讓合金基體組織穩(wěn)定的工藝過程。   

合金在時效處理過程中，隨溫度的上升和時間的延長，約經(jīng)過過飽和固溶體點陣內(nèi)原子的重新組合，生成溶質(zhì)原子富集區(qū)（稱為G-PⅠ區(qū)）和G-PⅠ區(qū)消失，第二相原子按一定規(guī)律偏聚并生成G-PⅡ區(qū)，之后生成亞穩(wěn)定的第二相（過渡相），大量的G-PⅡ區(qū)和少量的亞穩(wěn)定相結(jié)合以及亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相、第二相質(zhì)點聚集幾個階段。  

時效處理又分為自然時效和人工時效兩大類。自然時效是指時效強化在室溫下進行的時效。人工時效又分為不完全人工時效、完全人工時效、過時效3種。

  1）不完全人工時效：把鑄件加熱到150-170℃，保溫3-5h，以獲得較好抗拉強度、良好的塑性和韌性，但抗蝕性較低的熱處理工藝；

2）完全人工時效：把鑄件加熱到175-185℃，保溫5-24h，以獲得足夠的抗拉強度（即最高的硬度）但延伸率較低的熱處理工藝；

3）過時效：把鑄件加熱到190-230℃，保溫4-9h，使強度有所下降，塑性有所提高，以獲得較好的抗應力、抗腐蝕能力的工藝，也稱穩(wěn)定化回火。

  4、循環(huán)處理   把鋁合金鑄件冷卻到零下某個溫度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保溫一定時間，再把鑄件加熱到350℃以下，使合金中度固溶體點陣反復收縮和膨脹，并使各相的晶粒發(fā)生少量位移，以使這些固溶體結(jié)晶點陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，達到提高產(chǎn)品零件尺寸、體積更穩(wěn)定的目的。這種反復加熱冷卻的熱處理工藝叫循環(huán)處理。這種處理適合使用中要求很精密、尺寸很穩(wěn)定的零件（如檢測儀器上的一些零件）。一般鑄件均不作這種處理。

5、鑄造鋁合金熱處理狀態(tài)代號及含義   代號 合金狀態(tài) 熱處理的作用或目的 說明   T1 人工時效 在金屬型或濕砂型鑄造的合金，因冷卻速度較快，已得到一定程度的過飽和固溶體，即有部分淬火效果。再作人工時效，脫溶強化，則可提高硬度和機械強度，改善切削加工性。 對提高Zl104、ZL105等合金的強度有效。

  T2 退火 主要作用在于消除鑄件的內(nèi)應力（鑄造應力和機加工引起的應力），穩(wěn)定鑄件尺寸，并使Al-Si系合金的Si晶體球狀化，提高其塑性。 對Al-Si系合金效果比較明顯，退火溫度280-300℃，保溫時間為2-4h。   

T4 固溶處理（淬火）加自然時效 通過加熱保溫，使可溶相溶解，然后急冷，使大量強化相固溶在α固溶體內(nèi)，獲得過飽和固溶體，以提高合金的硬度、強度及抗蝕性。 對Al-Mg系合金為最終熱處理，對需人工時效的其它合金則是預備熱處理。  

T5 固溶處理（淬火）加不完全人工時效 用來得到較高的強度和塑性，但抗蝕性會有所下降，非凡是晶間腐蝕會有所增加。 時效溫度低，保溫時間短，時效溫度約150-170℃，保溫時間為3-5h。  

   T6 固溶處理（淬火）加完全人工時效 用來獲得最高的強度，但塑性和抗蝕性有所降低。 在較高溫度和較長時間內(nèi)進行。適用于要求高負荷的零件，時效溫度約175-185℃，保溫時間5h以上。  

   T7 固溶處理（淬火）加穩(wěn)定化回火 用來穩(wěn)定鑄件尺寸和組織，提高抗腐蝕（非凡是抗應力腐蝕）能力，并保持較高的力學性能。 多在接近零件的工作溫度下進行。適合300℃以下高溫工作的零件，回火溫度為190-230℃，保溫時間4-9h。                                                                       

T8 固溶處理（淬火）加軟化回火 使固溶體充分分解，析出的強化相聚集并球狀化，以穩(wěn)定鑄件尺寸，提高合金的塑性，但抗拉強度下降。 適合要求高塑性的鑄件，回火溫度約230-330℃，保溫時間3-6h。

T9 循環(huán)處理 用來進一步穩(wěn)定鑄件的尺寸外形。其反復加熱和冷卻的溫度及循環(huán)次數(shù)要根據(jù)零件的工作條件和合金的性質(zhì)來決定。 適合要求尺寸、外形很精密穩(wěn)定的零件。  

三、熱處理工藝   

1、鑄造鋁合金熱處理工藝參數(shù)

2、熱處理操作技術(shù)要點   

1）熱處理前應檢查熱處理設備、輔助設備、儀表等是否合格和正常，爐膛各處的溫度差是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)（±5℃）；   

2）裝爐前應吹砂或沖洗，應無油污、臟物、泥土，合金牌號不應相混；  

3）形性狀易產(chǎn)生翹曲的鑄件應放在專用的底盤或支架上，不答應有懸空的懸臂部分；

4）檢查鑄件性能的單鑄或附鑄試棒應隨零件一起同爐處理，以真實反映鑄件的性能；

5）在保溫期間應隨時檢查、校正爐膛各處溫度，防止局部高溫或燒化；  

6）在斷電后短時間不能恢復時，應將在保溫中的鑄件迅速出爐淬火，等恢復正常后，再裝爐、保暖和進行熱處理；  

7）在硝鹽槽中淬過火的鑄件，應在淬火后立即用熱水沖洗，消除殘鹽，防止腐蝕；

8）發(fā)現(xiàn)淬火后鑄件變形，應立即予以校正；   

9）要時效處理的零件，應在淬火后0.5h內(nèi)進行時效處理；  

10）如在熱處理后發(fā)現(xiàn)性能不合格，可重復進行熱處理，但次數(shù)不得超過2次；

11）應根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)外形、尺寸、合金特性等制定的熱處理工藝進行熱處理。

3、熱處理缺陷的產(chǎn)生原因和消除與預防辦法   缺陷名稱 缺陷表現(xiàn) 產(chǎn)生原因 消除與預防辦法   

力學性能不合格

退火狀態(tài)δ5偏低，淬火或時效處理后強度和延伸率不合格。 退火溫度偏低或保溫時間不足，或冷卻太快；淬火溫度偏低或保溫時間不夠，或冷卻速度太慢（淬火介質(zhì)溫度過高）；不完全人工時效和完全人工時效溫度偏高，或保溫時間偏長，合金的化學成分出現(xiàn)偏差。 再次退火，提高溫度或延長保溫時間；提高淬火溫度或延長保溫時間，降低淬火介質(zhì)溫度；如再次淬火，則要調(diào)整其后的時效溫度和時間；如成分出現(xiàn)偏差，則要根據(jù)具體的偏差元素、偏差量、改變或調(diào)整重復熱處理參數(shù)。

變形、翹曲

熱處理后，或之后的機械加工中反映出來的鑄件的尺寸、外形變化。 加熱速度或淬火冷卻速度太快（太激烈）；淬火溫度太高；鑄件的設計結(jié)構(gòu)不合理（如兩連接壁的壁厚相差太大，框形結(jié)構(gòu)中加強筋太薄或太細小；淬火時工件下水方向不當及裝料方法不當。 降低升溫速度，提高淬火介質(zhì)溫度，或換成冷卻速度稍慢的淬火介質(zhì)以防止合金內(nèi)產(chǎn)生殘余應力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纖維等隔熱材料包覆薄壁部位；根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、外形選擇合理的下水方向或采用專用防變形的夾具；變形量不大的部位，則可在淬火后立即予以矯正。  

裂紋

淬火后的鑄件表面用肉眼可以看到的明顯的裂紋或通過熒光檢查肉眼看不到的微細裂紋。裂紋多曲折不直并呈暗灰色。 加熱速度太快，淬火時冷卻太快（淬火溫度過高或淬火介質(zhì)溫度過低，或淬火介質(zhì)速度太快）；鑄件結(jié)構(gòu)設計不合理（兩連接壁壁厚差太大，框形件中間的加強筋太薄或太細小）；裝爐方法不當或下水方向不對；爐溫不均勻，使鑄件溫度不均勻。 減慢升溫速度或采取等溫淬火工藝；提高淬火介質(zhì)溫度或換成冷卻速度慢的淬火介質(zhì)；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包復石棉等隔熱材料；采用專用防開裂的淬火夾具，并選擇正確的下水方向。  

過燒

鑄件表面有結(jié)瘤，合金的延伸率大大下降。 合金中的低熔點雜質(zhì)元素如Cd、Si、Sb等的含量過高；加熱不均勻或加熱太快；爐內(nèi)局部溫度超過合金的過燒溫度；測量和控制溫度的儀表失靈，使爐內(nèi)實際溫度超過儀表指示溫度值。嚴格控制低熔點合金元素的含量不超標；以不超過3℃/min的速度緩慢升溫；檢查和控制爐內(nèi)各區(qū)溫度不超過±5℃；定期檢查或校準測控儀表，確保儀表測溫、示溫、控溫準確無誤。  

表面腐蝕

鑄件的表面出現(xiàn)斑紋或塊狀等與鋁合金鑄件表面的不同色澤。硝鹽液中氯化物含量超標（＞0.5%）而對鑄件表面（尤其是疏松、縮孔處）造成腐蝕；從硝鹽槽中取出后沒得到充分的清洗，硝鹽粘附在鑄件表面（尤其是窄縫隙、盲孔、通道中）造成腐蝕；硝鹽液中混有酸或堿或鑄件放在濃酸或濃堿四周受到腐蝕。盡量縮短鑄件從爐內(nèi)移到淬火槽的時間；檢查硝鹽中氯化物的含量是否超標，如超標，則應降低其含量（或濃度），從硝鹽槽中加熱的鑄件應立即用溫水或冷水沖洗干凈；檢查硝鹽中酸和堿的含量，如有酸或堿則應中和或停止使用；不把鋁合金鑄件放在有濃酸或濃堿的四周。   

淬火不均勻

鑄件的厚大部位的延伸率和硬度低（非凡是其內(nèi)部中心），薄壁部位硬度高（非凡是其表層）。 鑄件加熱和冷卻不均勻，厚大部位冷卻慢，熱透性差。 重新作熱處理，降低升溫速度，延長保溫時間，使厚薄部位溫度均衡；在厚壁部位涂敷保溫性的涂料或包覆石棉等隔熱性材料，盡量使鑄件各部位同時冷卻；使厚大部位先下水；換成有機淬火劑，降低冷卻速度。  

四、熱處理設備、材料   

1、熱處理設備的主要技術(shù)要求  

1）由于鋁合金淬火和時效溫度溫差范圍不大（因其淬火溫度接近合金內(nèi)低熔點共晶成分的熔點），故其爐內(nèi)的溫度差應控制在±5℃；  

2）要求測溫、控溫儀表靈敏、準確，以確保溫度在上述誤差范圍內(nèi)；

3）爐內(nèi)各區(qū)的溫度應均勻，差別在1-2℃的范圍內(nèi)；  

4）淬火槽有加熱裝置和循環(huán)裝置，保證水的加熱和溫度均勻；

5）應定期檢查并更換已污染的冷卻水。

2、淬火介質(zhì)   淬火介質(zhì)是保證實現(xiàn)各種熱處理目的或作用的重要因素。淬火介質(zhì)的冷卻速度越高，鑄件冷卻的越激烈（快），金屬組織中α固溶體的過飽和程度越高，鑄件的力學性能也就越好，因為大量的金屬間化合物等強化相被固溶到Al的α固溶體中去了。淬火介質(zhì)按其對鑄件的冷卻速度的快慢依次為：干冰和丙酮的混合物（-68℃）、冰水、室溫的水、80-90℃的水、100℃的水、經(jīng)霧化過的水、各種油（菜籽油等）、加熱到200-220℃的各種油、空氣等。   

近年國內(nèi)研制出來的鋁合金淬火介質(zhì)CL-1的冷卻速度介于水和油之間，它可以任何比例與水互溶，其混合比例不同，冷卻速度各異，故很便于根據(jù)淬火對象調(diào)整其冷卻速度。它淬火之后無須再進行沖洗且表面光潔，對鑄件無污染、無毒害，且能防銹。其主要技術(shù)指標是，外觀：淡黃色到黃色粘稠狀均勻液體，密度：1.085-1.1234mg/㎡，粘度Y38：≥154MPa·s，逆熔點：80-87℃，折光n：1.4138-1.4450，臨界冷卻速度：≥260℃/s（450-260℃）。  

CL-1有機淬火劑水溶液之所以具有優(yōu)良的淬火特性，其機理是此溶液在對工件的淬火過程中，可在溫度升到一定值時，從水溶液中析出有機成分并分解，并在工件的表面形成一層均勻的導電性薄膜，淬火氣泡對工件是直接作用在此薄膜上，而不是直接作用在工件上，從而降低了形成淬火應力的直接捶擊作用，因而減少了工件的變形和裂紋，并且在淬火之后，水溶液冷卻到一定溫度時，此有機薄膜又溶于水溶液中，恢復成原來的均勻的水溶液狀態(tài)，不妨礙重復使用效果。

3、測溫、控溫儀表及材料   測溫、控溫儀表的精度不應低于0.5級，熱處理加熱爐應配有能自動測暖和控溫的自動記錄、自動報警、自動斷電、復電的裝置和儀表，以保證爐內(nèi)溫度顯示和控制準確及溫度均勻。   

熱電偶用鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-鎳鋁質(zhì)的直徑為2.0-0.5㎜的偶絲。為提高溫度儀的靈敏度、縮小溫度的波動范圍，最好使用Ф0.5-1.0㎜的上述材質(zhì)的偶絲。并在使用前和使用過程（每3個月1次）檢測、校準1次。