一种控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法与流程

本发明属于热处理领域，涉及一种过共晶铝硅合金的热处理方法，具体涉及一种控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法。

背景技术：

过共晶al-si合金具有耐热耐磨性好、比强度高以及热膨胀系数低等优点，是一种理想的轻质耐磨材料。过共晶al-si合金的组织主要由初晶si和(α-al+β-si)共晶体组成，弥散分布在基体上的高硬度si相粒子具有耐磨作用和自润滑作用，表现出良好的干摩擦学特征，是影响该合金摩擦学性能的最大因素。不同于铸铁的硬基体上分布着软质点石墨，过共晶铝硅合金的摩擦学机制是软基体上分布着硬质点，在摩擦发生时，si相硬质点起到耐磨与支撑作用。因此，合金的耐磨性主要受si相(包括初晶硅和共晶硅)的数量、尺寸、形貌和分布情况的影响。

中国专利cn101535515a公开了一种可加工性优异的耐磨铝合金材料及制造方法，对含13～15％si的铝合金进行均匀化处理后加工成形为零件，再进行(480～500℃)×(1～3h)+(150～230℃)×(1～16h)的固溶和时效处理，得到耐磨性和加工性能良好的铝合金材料。该方法主要通过热处理控制初晶si粒子及金属间化合物的粒状和面积率，以改善合金的耐磨性。由于合金的si含量偏低，初晶硅的体积分数较少，仅靠热处理控制初晶硅球化对合金耐磨性的提高有限；此外，该方法未考虑共晶硅粒径大小对耐磨性的影响。中国专利cn101457318a中公开了一种含18～25％si的高硅铝合金缸套材料，合金中fe、mn、ni元素含量分别为3.5～6.0％、0.5～1.5％、1～2％，其形成的金属间化合物细小、均匀，虽然对提高合金耐磨性能有益，但在改善合金的成形工艺及变形加工性能方面有一定的难度。此外，该方法要获得细小耐磨富fe相，需采用喷射沉积工艺，设备昂贵成本较高，难以应用于规模化工业生产。

技术实现要素：

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法，它包括以下步骤：

(a)对过共晶al-si合金件进行固溶处理；所述固溶温度为500～540℃且固溶时间为4～10h；

(b)将固溶后的过共晶al-si合金件出炉淬火；

(c)对淬火后的过共晶al-si合金件进行时效处理，随后冷却至室温即可；所述时效温度为160～210℃且时效时间为4～8h。

优化地，步骤(b)中，所述淬火转移时间小于15s。

优化地，步骤(a)中，所述过共晶al-si合金件中si的质量含量为14～23％。

优化地，步骤(a)中，对所述过共晶al-si合金件进行固溶处理前，先对其进行复合变质处理，使初晶硅平均尺寸小于30μm且共晶硅达到afs变质等级中的3级以上。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法，通过对过共晶al-si合金材料进行一定温度和时间下的固溶处理，快速淬火以及时效处理，使得在初晶si不发生粗化的前提下，共晶si粒子直径变大且实现球化，消除si相尖角的不利影响，明显提高合金材料的耐磨性能，且不影响合金材料的切削加工性能；可以有效地改善变质后si相(初晶硅和共晶硅)的形貌，消除变质过程不能消除的成分偏析、组织不均匀等缺陷，尤其适用于经充分复合变质处理的过共晶al-si合金件；而且方法工艺操作简单、效果显著。

附图说明

图1为实施例2中产物的微观组织图：处理前；

图2为实施例2中产物的微观组织图：处理后；

图3为实施例2中产物经磨损试验后的微观组织图。

具体实施方式

本发明控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法，它包括以下步骤：(a)对过共晶al-si合金件进行固溶处理；所述固溶温度为500～540℃且固溶时间为4～10h。当固溶温度高于500℃时，共晶硅明显优于初生si先生长；同时，为保证最大限度地改变si相颗粒的形态和尺寸，在保证低熔点化合物不过烧的前提下，应尽可能使固溶温度接近共晶温度，一般固溶温度低于共晶温度5～10℃。固溶时间太短(＜4h)时，共晶si不能充分生长，使预期的耐磨性能的提高不能充分实现；此外，合金元素不能充分溶解，后续的时效过程不能得以充分进行，例如al2cu溶解缓慢，保温时间不够时不能充分固溶于基体；反之，固溶时间过长，能耗增大，增加成本，同时si相聚集、粗化，使球化程度变差，且α(al)也会发生长大现象，降低基体硬度，增大两相之间的硬度差，这些都将对合金的耐磨性能产生不利的影响。(b)将固溶后的过共晶al-si合金件出炉淬火；(c)对淬火后的过共晶al-si合金件进行时效处理，随后冷却至室温即可；所述时效温度为160～210℃且时效时间为4～8h。通过对过共晶al-si合金材料进行一定温度和时间下的固溶处理，快速淬火以及时效处理，使得在初晶si不发生粗化的前提下，共晶si粒子直径变大且实现球化，消除si相尖角的不利影响，明显提高合金材料的耐磨性能，且不影响合金材料的切削加工性能；可以有效地改善变质后si相(初晶硅和共晶硅)的形貌，消除变质过程不能消除的成分偏析、组织不均匀等缺陷，尤其适用于经充分复合变质处理的过共晶al-si合金件；而且方法工艺操作简单、效果显著。

步骤(b)中，所述淬火转移时间小于15s。步骤(a)中，所述过共晶al-si合金件中si的质量含量为14～23％，还可以含有以下质量含量的0.5～5.0％cu和0.3～2.0％mg；当si含量在14％以上时，合金组织中即析出一定体积分数的初晶si颗粒，使该合金具有较好的耐磨性能，且si含量较低时，易于通过变质方式获得小于30μm的初晶硅组织。随着si含量的增加，合金的流动性和材料的耐磨性能更好。当si含量大于23％时，仅采用变质剂得到小于30μm的初晶si难以实现，且合金结晶温度范围变宽，流动性逐渐变差，合金的疏松倾向加大，气密性降低。步骤(a)中，对所述过共晶al-si合金件进行固溶处理前，先对其进行复合变质处理，使初晶硅平均尺寸小于30μm且共晶硅达到afs变质等级中的3级以上(即过共晶al-si合金在熔铸过程进行p-ca、p-re等复合变质处理，使得变质后的初晶硅平均尺寸小于30μm、共晶硅达到afs变质等级中的3级以上)，这样在初晶si不粗大化的前提下保证共晶si粒子直径变大同时球化，从而使合金的切削加工性能和耐磨性能达到平衡。热处理过程同时完成初晶硅尖角钝化，共晶硅长大和球化，减小对基体的割裂程度，使合金材料强度、硬度，以及耐磨性能大幅提高；此外，热处理对复合变质的过共晶al-si合金脱溶相的弥散析出、粗大第二相的尖角钝化以及组织的均匀化也能起到一定的促进作用，进而提高基体强度，减小基体与si相的硬度差，改善两相之间的变形协调性，从而有效地降低磨损程度。当合金件含有较高si、cu、mg、fe、mn、ni等元素时，可以在不过烧和不粗化的前提下适当提高固溶温度和时间，使尽可能多的溶质原子固溶至基体中，更充分地实现组织的均匀化，消除影响合金材料耐磨性的不利因素。

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。

实施例1-实施例6

实施例1-实施例6分别提供一种控制过共晶铝硅合金硅相球化和生长的热处理方法，它包括以下步骤：

(a)对过共晶al-si合金件(两种合金以用于实施例1-6，其参数和化学成分见表1所示)进行固溶处理；所述固溶温度为500～540℃且固溶时间为4～10h；

(b)将固溶后的过共晶al-si合金件出炉快速淬火；

(c)对淬火后的过共晶al-si合金件进行时效处理，随后冷却至室温即可；所述时效温度为160～210℃且时效时间为4～8h。

表1不同合金成分的铸棒相同部位的初生硅和共晶硅的平均尺寸

实施例1-10、对比例1-4中各例的具体热处理参数见表2所示(其中，实施例2中的微观组织形貌图见图1、图2和图3)。

表2实施例1-10、对比例1-4各自的热处理参数

对实施例1-10、对比例1-4中获得的合金铸棒(82mm)进行磨损试验、切削试验，并测量其初生si和共晶si平均尺寸，其结果见表3所示：

(1)磨损试验：采用mg-2000b型销-盘式摩擦实验装置进行干摩擦磨损试验；试验时，把材料加工成直径6mm、长10mm的圆柱体试样，对磨材料为gcr14钢，外径为磨损试样及对磨材料表面的粗糙度不大于ra0.8；试验采用的附加载荷为200n，对磨盘转速为270r/min，磨损时间为10min，采用称量试验后的试验片的磨耗损失来评价其耐磨性能；

(2)切削试验：试验采用的刀具材料为美国diamondinnovations(原ge)公司的compax1500的金刚石刀具材料。在试验过程中，切削角为0°，垂直前角为5°，叶片角为15°，切削速度为600m/min，进给速率为0.1mm/rev，切入深度为0.5mm，切入距离为24000m，且整个过程在没有润滑剂的条件下进行。在切削后，测量工具侧面的磨耗损失，根据磨耗损失量(μm)评价其切削加工性能。

表3实施例1-10、对比例1-4中不同合金成分的性能测试

从表3可见，在热处理条件为500～540℃×6h下的表面磨损量均较小，尤其经190℃×8h时效后，表面磨损量小于8mg；而在固溶温度小于500℃时，同种材料的表面磨损严重；固溶温度为550℃时，过烧产生，且si相形貌恶化，圆整度降低，磨损更为严重。表3的结果显示，本发明中指定的热处理在改善耐磨性方面是十分有效的。此外，如图1和图2所示，合金中初生si相尺寸变化不大，共晶硅直径变大(表3所示的不同合金在不同热处理条件下初生硅和共晶硅的平均尺寸可以得到体现)，同时si相形貌变得圆整，有效地避免了因为尖角引起的应力集中导致裂纹的产生，避免了疲劳磨损过早产生；如图3所示，经过热处理后，合金的磨痕细而浅，磨损表面剥落物脱离后留下的剥落坑较小，数量较少；这就从另一方面验证了该发明的热处理工艺改善si相形貌的同时也提高了合金的耐磨性能。分析表3中切削试验时的刀具磨耗损失量可以发现，对不同热处理条件下的不同合金进行切削试验时，磨耗损失量没有发生很大的变化。因此可以认为，选择性地增加共晶si的尺寸，不仅有利于提高合金的耐磨性，而且不降低合金的切削加工性能。如上所述，本发明提供了一种合理的热处理方法，使得在初生si不发生粗化的前提下，共晶si粒子直径变大，且趋于圆整，显著提高合金材料的耐磨性能，同时不降低材料的切削加工性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。