共晶类Al-Si-Cu-Mn耐热铝合金的热处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的领域属于金属热处理领域，具体涉及一种耐热铝合金热处理工艺。
【背景技术】
[0002]铸造Al-Si合金在铸态下的力学性能往往不能满足其使用要求，所以需要通过热处理来进一步提高铸件的力学性能。铝合金的热处理，就是通过调整合金的组织，充分发挥合金的潜在特性。通常，铝合金的强化热处理包括固溶处理、淬火和时效处理(自然时效、人工时效)。其中T6处理是铸造Al-Si合金最常用的一种热处理工艺，即固溶处理后淬火，然后进行人工时效硬化处理，这样不进行冷加工就能获得良好强度。
[0003]铝合金的固溶处理可以使Cu、Mg和Si等这类硬化相溶质溶入α-Al基体中，还可以使组织均匀化，减小在凝固过程中形成的溶质元素偏析，为时效处理时弥散强化相的析出创造了一个良好的条件。除此之外，固溶处理可以改变铝合金中的第二相的数量、尺寸和形态，为后续的时效处理做好组织上的准备。因此，铝合金Τ6处理的第一阶段一一固溶处理被看成是决定时效后弥散强化相显微组织和最终合金的力学性能的关键阶段。
[0004]固溶淬火态通常不是铸造Al-Si合金的最终热处理态，合金的力学性能需要通过随后进行的人工时效才能得到明显提高。合金经过固溶处理后得到过饱和状态的固溶体，而过饱和固溶体大多是亚稳定的，在室温放置或升高到一定温度进行保温一段时间后，将逐渐发生分解，析出第二相或形成溶质原子聚集区以及亚稳过渡相，这种过程称为脱溶。脱溶过程使得溶质原子在固溶体点阵中的一定区域内析出、聚集、形成新相，引起合金的组织及性能变化，称为时效。时效可分为自然时效和人工时效，自然时效是在室温下就可以进行的析出过程，人工时效是人为地加热到一定的温度，使原子活动能力增加，过饱和溶质原子析出，达到硬化的目的。
[0005]目前，亚共晶类Al-S1-Cu-Mg是Al-Si系耐热铝合金中应用较为广泛的一类合金，其主要是利用可热处理强化的富铜相作为耐热相。然而，这些富铜耐热相(9、W相等)耐热温度偏低且合金的铸造性能较差、热裂倾向大等限制了它的发展。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金的热处理工艺，本发明能够提高耐热铝合金的综合力学性能，特别是耐热强度。
[0007]本发明的一种共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金的热处理工艺，其中所述耐热铝合金组成按重量百分比计如下:硅10.0-13.0 %，铜3.0-4.5 %，锰0.8-2.5 %，锶0.02-0.03%,铝为余量，所述热处理工艺如下:
[0008]S1)固溶处理:将所述耐热铝合金工件加热至480?525°C并保温处理5?20h，耐热铝合金工件沉淀析出作为耐热相的100?200纳米大小的Al15Mn3Si2相和Al2()Mn3Cu2相颗粒，并分布于A1基体晶粒内，共晶富铜相0(CuA12)发生部分溶解、残留的0(CuA12)相发生颗粒化与粗化；
[0009]S2)淬火处理:随后立即将工件浸入20?65°C水中进行淬火处理；
[0010]S3)时效处理:将淬火后的耐热铝合金工件在160-180°C下时效处理4-6h，耐热铝合金工件中析出了作为促进合金硬化的主要析出相且具有一致方向性的针状9〃(CuA12)相。
[0011]本发明的有益效果如下:
[0012]本发明的技术方案中，共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热合金引入了新的耐热性能更为优异的富Μη耐热相Al15Mn3Si2，使合金具有更高的耐热温度，是一种非常有潜力的耐热铝合金材料。本发明中共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金经固溶处理后会沉淀析出大量的100?200纳米大小的Ali5Mn3Si2相和Al2oMn3Cu2相颗粒，分布于A1基体内，这些固溶过程中沉淀析出的富Μη相显著提高了合金的耐热性。
[0013]经本发明固溶处理步骤处理后，组织中形成大量弥散析出的六1151113512相和Al2oMn3Cu2富锰强化相颗粒，显著改善了合金耐热性。图1显示了固溶处理后耐热铝合金的显微组织。共晶Si颗粒在固溶处理时发生钝化熔断和粒状化，其形态由铸态下的纤维状转变为短棒状或颗粒状。但当固溶处理时间过长或温度过高时，则共晶硅颗粒会出现了明显的粗化现象。CuA12相的数量经固溶处理后有所减少，且出现了明显的溶解现象并转变成颗粒状;而在合金制备时的凝固过程中形成富锰相在固溶过程中，其数量和形态均未发生明显变化。图2显示了不同固溶处理时间下α-Al基体的显微维氏硬度随固溶处理温度的变化曲线，可以发现:较优的固溶处理温度范围为495-510°C。由图3中(a)TEM组织观察可以发现，铸态下A1基体中非常干净，几乎没有观察到任何细小的析出相。而由图3中(b)，经过525°CX20h固溶处理后，A1基体中出现大量细小而弥散的富Μη析出相。图4显示了这些析出相形态与大小及相应的TEM-EDS结果和SAD(选区电子衍射花样)结果。该共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金固溶处理前后的XRD结果如图5所示，固溶处理后不仅Al15Mn3Si2相峰增强，而且新出现了 Al2oMn3Cu2峰。综合以上的组织表征，该共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热招合金经过本发明的固溶处理后，铝基体组织中大量弥散沉淀析出了尺寸约为100?200纳米的细小的Al15Mn3Si2相和Al2QMn3Cu2富锰相颗粒，它们大多位于A1基体内部，在高温下稳定存在，阻碍位错的运动从而显著强化基体，提高A1基体抵抗高温形变能力即提高了合金的耐热性。固溶以及淬火处理后随之进行的是时效处理。图6是共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金在165°C下时效6h的透射电镜照片，对比相关文献可知，图中的黑色针状相即为合金在时效过程中析出的CuA12相，并且具有一致的方向性，是促进合金室温硬化的主要析出相。然而时效析出的CuA12相在高的服役温度下受热后会重新溶解，起不到改善合金耐热性的作用，而固溶阶段弥散析出的富锰相在高温处理以及随后的低温时效处理均没有发生变化，是共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金中主要的耐热相。
【附图说明】
[0014]图1是合金固溶态下(525°C+15h)光学显微镜图片。
[0015]图2是不同固溶处理时间下α-Al基体的显微维氏硬度随固溶处理温度的变化曲线。
[0016]图3是Al-12S1-4Cu-1.2Mn合金的TEM图像:(a)铸态；(b)525°CX20h固溶淬火态，析出了大量细小的富Μη相。
[0017]图4是Al-12S1-4Cu-1.2Mn合金525°CX20h固溶淬火态组织中析出的富Μη相TEM照片、TEM-EDS结果和TEM-SAD结果，(a)显示出Ali5Mn3Si2相；(b)显示出Al2oMn3Cu2相。
[0018]图5是Al-12S1-4Cu-1.2Mn合金525°CX20h固溶处理前后的XRD图谱，显示固溶过程中析出了 Ali5Mn3Si2 相和 Al2oMn3Cu2 相。
[0019]图6是Al-12S1-4Cu-1.2Mn合金时效态下TEM图片，时效过程中析出了大量的针状0〃(CuA12)相且具有一致方向性。
【具体实施方式】
[0020]一种共晶类Al-S1-Cu-Mn耐热铝合金的热处理工艺，所述耐热铝合金组成按重量百分比计如下:硅10.0-13.0%，铜3.0-4.5%，锰0.8-2.5%，锶0.02-0.03%，铝为余量，所述热处理工艺如下:
[0021 ] S1)固溶处理:将所述耐热铝合金工件加热至480?525°C并保温处理5?20h，耐热铝合金工件沉淀析出作为耐热相的100?200纳米大小的Al15Mn