專利名稱：鎂合金鑄件半固態熱處理方法
技術領域：
本發明屬于熱處理技術領域，具體涉及一種鎂合金消失模鑄件半固態熱處理強化工藝。
背景技術：
鑄態下的鎂合金零件常常要進行熱處理，恰當的熱處理工藝不僅可以消除各種鑄造缺陷，細化晶粒，消除偏析，降低內應力，使組織和性能更加均勻，而且能提高鑄件的強度，增加其塑性。鎂合金鑄件的熱處理方式與鋁合金鑄件基本相同，但鎂合金中原子擴散速度慢，保溫時間較長。此外鎂合金氧化傾向比鋁合金大，當氧化反應產生的熱量不能即時散發時，容易引起燃燒，因此，熱處理加熱爐內應保持一定的中性或還原性氣氛(二氧化硫或氬氣氣氛等)，鑄造鎂合金零件常用的熱處理工藝有T4、T6等，見陳振華主編《鎂合金》，北京，化學工業出版社，2004，299～308。
(1)T4工藝即“固溶處理”。它是將鎂合金鑄件以一定的速度加熱到接近固相線的適宜溫度，保持足夠的時間，如AZ91鎂合金鑄件典型的淬火加熱規范為410-420℃保溫8-24小時，使可溶元素溶入固體中，然后用45～95℃熱水快冷，形成均勻過飽和固溶體，該熱處理工藝可用于提高鑄件的抗拉強度和延伸率。
(2)T6工藝即“固溶處理+完全人工時效”。它是先采用T4工藝路線，將鎂合金鑄件進行固溶處理，然后將鑄件加熱到高于室溫的某一適宜溫度，保持一定時間后空冷。如AZ91鎂合金鑄件固溶處理后的完全人工時效規范為170-180℃，保溫16-24小時。通過這種處理，過飽和固溶體中的可溶組元充分析出，使合金的強度、硬度達到最高。
在鎂合金的上述熱處理工藝中，為了獲得最大的過飽和固溶度，淬火加熱溫度通常只比固相線低5-10℃，又因鎂合金中原子的擴散能力弱，為保證強化相充分固溶，需要較長的加熱時間，特別是砂型厚壁鑄件。一般金屬型鑄件，淬火加熱時間約為8～16小時，而砂型鑄件加熱時間要延長到12～24h，這種兩種處理方式需要的周期長、能耗大。
半固態等溫熱處理，簡稱SSIT，見毛衛民，鐘雪友，李立強“AlSi7Mg非枝晶合金半固態重熔加熱時的組織演變”，鑄造，1998，(8)10～12；是20世紀90年代中期新近發展的一種方法，它省略了半固態非枝晶坯料制備的步驟，而是在半固態成形前的二次加熱過程中實現半固態非枝晶化，其工藝過程簡單、成本低廉，但是這種熱處理工藝是針對中間坯料發展起來的，主要為下一步的觸變成形做組織準備，不適用于已成形的鎂合金鑄件。因為直接對鎂合金鑄件實施半固態熱處理，會破壞鑄件的形狀精度。

發明內容
本發明提供一種鎂合金鑄件半固態熱處理方法，目的是使鑄件強度、塑性值得以提高的同時，縮短鑄件的熱處理時間，從而降低能耗。
本發明的一種鎂合金鑄件半固態熱處理方法，包括(1)爐溫設定步驟，根據需要處理的鎂合金鑄件的化學成分，將熱處理爐升溫至鑄件合金固相線與液相線之間的半固態溫度下，保持恒溫；(2)加熱保溫步驟，對于鎂合金消失模鑄件，將澆注凝固冷卻后的鎂合金消失模鑄件連同砂箱和支撐散砂一起放入保持恒溫的熱處理爐中加熱至所述恒溫溫度后保溫；
對于非消失模鑄造方法生產的鎂合金鑄件，套筒內先加入底層散砂，再將鎂合金非消失模鑄件裝入套筒內，用散砂支撐，將鎂合金非消失模鑄件連同套筒和支撐散砂一起放入保持恒溫的熱處理爐中加熱至所述恒溫溫度后保溫；(3)空氣冷卻步驟，按照鑄件的有效厚度不同，待鎂合金消失模鑄件或鎂合金非消失模鑄件加熱保溫10～120分鐘后，將它們與支撐散砂連同砂箱或者套筒一起從熱處理爐取出空氣冷卻；(4)水冷步驟，當鎂合金鑄件溫度冷卻至420～470℃時，將鎂合金鑄件從砂箱或者套筒中取出，于45～95℃的熱水中冷卻，以防止鑄件產生裂紋。
所述的半固態熱處理方法，所述加熱保溫步驟中，鎂合金非消失模鑄件所用的支撐散砂可以為石英砂、寶珠砂、鋯砂、鉻鐵礦砂中的一種或一種以上的混合物，支撐散砂的平均粒度為20～200目。
所述的半固態熱處理方法，在所述加熱保溫步驟中，可以采用CO2、SO2、Ar、SF6中的一種或者SF6與CO2、SO2、Ar中一種的混合氣體，構成保護氣氛。
本發明是在中間坯料半固態等溫熱處理基礎上發展的一種方法，充分利用了消失模鑄造的特點、散砂對鑄件的支撐作用，以及半固態等溫熱處理中組織球化效果好、強化元素擴散速度快的特點，使鎂合金鑄件在熱處理過程中變形甚微，處理周期大為縮短，同時又使得鑄件強度、塑性值得以提高。其具有以下特點(1)與常規鑄造方法比較，鑄件強度和塑性同時提高。
一般鎂合金常規鑄造方法得到的鑄態組織通常是典型的枝晶形貌，且成分起伏較大。當受到拉伸或壓縮等外力時，晶粒間的協同變形能力差，容易在枝晶的尖角處形成應力集中，從而產生早期開裂，對于滑移系較少的鎂合金鑄件更容易失效。
本發明先使得鑄件在液固兩相區保溫過程中，一方面強化元素得以在固溶體內快速均勻分布，使其發揮最大作用；另一方面又使得鑄態組織快速圓整化。然后在冷卻至420～470℃時，把鑄件進行熱水冷卻，這樣既形成均勻過飽和固溶體，又保留了圓整的球狀組織。經過該工藝處理后，不但晶粒自身阻礙位錯運動的能力大為提高，而且當外力作用工件時，應力也較易分散到相鄰晶粒，通過相鄰晶粒的旋轉，使得更多的滑移系參與變形，其強度和塑性可以同時提高。
(2)組織球化效果好，強化元素擴散速度快，大大地縮短了鑄件的熱處理時間。
當鑄件在兩相區保溫時，根據熱力學條件，只有成球狀或近球形才具有最小的表面能，所以從表面能較高的樹枝狀向球狀轉化，使系統的自由能下降，這是一個熱力學自發過程。由于保溫溫度比較高，原子的擴散速度很快，使得原子有足夠的動力學條件，依靠自發球化的趨勢通過原子的擴散完成球化過程，其形狀系數Sf約為0.34～0.62。
由菲克定律知擴散系數D為擴散的主要影響因素，溫度越高，擴散激活能越大，相應的擴散速度越快。鎂合金中的強化元素基本都是大半徑原子，如果在低溫下使得鑄件成分比較均勻需要很長的時間(固溶處理約8-24小時)；當把鑄態鎂合金鑄件加熱到液—固兩相區中適當溫度短時保溫(約10-120分鐘)，強化元素就可以具有很高的擴散激活能，可以獲得完全溶解，并在固溶體內均勻分布。
(3)鑄件變形量小，操作過程容易控制。
鑄件在熱處理過程中引起的變形既有加熱過程中由于熱應力導致的變形，也有鑄件在爐腔中堆放位置不正確由于自重導致的體積變形，這些變形往往產生很多廢品，此外鎂合金鑄件熱處理一般都要采取氣體保護措施，爐體設計復雜。消失模鑄造中采用無黏結劑的干砂造型，本發明的熱處理工藝方法，一方面鑄件是在消失模鑄造成型后連同砂箱一起放入熱處理爐中進行處理，干砂的緩慢導熱降低了溫度梯度，鑄件可以很均勻的加熱，最大程度減少熱應力引起的處理缺陷，此外，雖然鑄件的高溫強度很低，但是有散砂的支撐作用，鑄件的變形依然很微量；另一方面由于鑄件周圍的支撐散砂對空氣有隔離作用，鎂合金鑄件不直接與爐中氣氛接觸，避免了高溫氧化，因此熱處理爐既可以設計氣體保護部分，進一步降低鑄件氧化的概率，也可以根據生產狀況省掉氣體保護部分。


圖1為AZ91D鎂合金消失模鑄件的原始鑄態組織金相圖；圖2為實施例1鑄件等溫熱處理后組織金相圖；圖3為實施例2鑄件等溫熱處理后組織金相圖；圖4為實施例3鑄件等溫熱處理后組織金相圖；圖5為實施例4鑄件等溫熱處理后組織金相圖；圖6為實施例5鑄件等溫熱處理后組織金相圖。
具體實施例方式
實施例1AZ91D鎂合金固相線溫度為468℃，液相線溫度為596℃。把澆注后的AZ91D消失模鑄件連同砂箱放入已升溫至設定溫度530℃的電阻爐中進行加熱，砂箱中采用石英砂填充支撐。當溫度從室溫升至設定溫度時開始計時，根據鑄件有效厚度保溫60分鐘后取出，空冷至450℃左右把鑄件放入85℃的熱水中冷卻。
AZ91D鎂合金消失模鑄件的原始鑄態組織如圖1所示，由α-Mg相及晶間化合物β-Mg17Al12組成，共晶組織呈完全離異形式，不連續分布的β-Mg17Al12被α-Mg固溶體包圍著。經過530℃、60min半固態等溫熱處理后，合金顯微組織中β相基本溶入基體中，枝晶狀的鑄態組織在等溫處理過程中變得比較均勻圓整，如圖2所示。熱處理后鑄件的力學性能如表1。
實施例2將澆注完成的AZ91D鎂合金消失模鑄件和支撐砂一起，放入熱處理爐中，支撐砂采用寶珠砂，在500℃保溫60分鐘，空冷至420℃左右把鑄件放入45℃的熱水中冷卻。其余步驟和參數同實施例1，力學性能如表1，鑄件熱處理后其金相組織如圖3示。
實施例3將澆注完成的AZ91D鎂合金鑄件放入套筒內，加入鉻鐵礦砂與寶珠砂的混合砂作為支撐砂，采用570℃保溫60分鐘的工藝進行熱處理，熱處理過程中用SF6與CO2的混合氣體保護，空冷至470℃左右把鑄件放入95℃的熱水中冷卻。其余步驟和參數同實施例1，力學性能如表1，鑄件熱處理后其金相組織如圖4所示。
實施例4將澆注完成的AZ91D鎂合金鑄件放入套筒內，加入鋯英砂作為支撐砂，采用530℃保溫10分鐘的工藝進行熱處理，空冷至440℃左右把鑄件放入60℃的熱水中冷卻。其余步驟和參數同實施例1，力學性能如表1，鑄件熱處理后其金相組織如圖5所示。
實施例5
將澆注完成的AZ91D鎂合金消失模鑄件和支撐砂一起，放入熱處理爐中，支撐砂采用石英砂，采用530℃保溫120分鐘的工藝進行熱處理，熱處理過程中用Ar氣保護，空冷至460℃左右把鑄件放入75℃的熱水中冷卻。其余步驟和參數同實施例1，力學性能如表1，鑄件熱處理后其金相組織如圖6所示。
表1 不同處理方式下AZ91D鎂合金消失模鑄造試件的室溫拉伸性能

權利要求
1.一種鎂合金鑄件半固態熱處理方法，包括(1)爐溫設定步驟，根據需要處理的鎂合金鑄件的化學成分，將熱處理爐升溫至鑄件合金固相線與液相線之間的半固態溫度下，保持恒溫；(2)加熱保溫步驟，對于鎂合金消失模鑄件，將澆注凝固冷卻后的鎂合金消失模鑄件連同砂箱和支撐散砂一起放入保持恒溫的熱處理爐中加熱至所述恒溫溫度后保溫；對于非消失模鑄造方法生產的鎂合金鑄件，套筒內先加入底層散砂，再將鎂合金非消失模鑄件裝入套筒內，用散砂支撐，將鎂合金非消失模鑄件連同套筒和支撐散砂一起放入保持恒溫的熱處理爐中加熱至所述恒溫溫度后保溫；(3)空氣冷卻步驟，按照鑄件的有效厚度不同，待鎂合金消失模鑄件或鎂合金非消失模鑄件加熱保溫10～120分鐘后，將它們與支撐散砂連同砂箱或者套筒一起從熱處理爐取出空氣冷卻；(4)水冷步驟，當鎂合金鑄件溫度冷卻至420～470℃時，將鎂合金鑄件從砂箱或者套筒中取出，于45～95℃的熱水中冷卻，以防止鑄件產生裂紋。
2.如權利要求1所述的半固態熱處理方法，其特征在于所述加熱保溫步驟中，鎂合金非消失模鑄件所用的支撐散砂為石英砂、寶珠砂、鋯砂、鉻鐵礦砂中的一種或一種以上的混合物，支撐散砂的平均粒度為20～200目。
3.如權利要求1或2所述的半固態熱處理方法，其特征在于在所述加熱保溫步驟中，采用CO2、SO2、Ar、SF6中的一種或者SF6與CO2、SO2、Ar中一種的混合氣體，構成保護氣氛。
全文摘要
一種鎂合金鑄件的熱處理強化工藝方法。將澆注凝固冷卻后的鎂合金鑄件連同砂箱和支撐散砂一起放入熱處理爐中，加熱至鑄件合金固相線與液相線之間的(半固態)某溫度下，按照鑄件的有效厚度不同保溫10～120分鐘，出爐后空冷，當鑄件溫度冷卻至420～470℃后，將鑄件從砂箱中取出，在45～95℃的熱水中冷卻至室溫。本發明結合可結合消失模鑄造工藝特點實現了鎂合金消失模鑄件的半固態熱處理，也可處理非消失模鎂合金鑄件，獲得較圓整的球狀組織，消除了鑄態下玫瑰狀的枝晶組織，使得鎂合金鑄件的強度和延伸率大為提高，與常用的鎂合金鑄件T4、T6熱處理工藝相比，大大地縮短了熱處理保溫時間，節約了大量能源，具有廣泛的應用前景。
文檔編號B22D27/04GK101082116SQ200710052730
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月11日 優先權日2007年7月11日
發明者樊自田, 李繼強, 董選普, 王元慶 申請人:華中科技大學