專利名稱：用于鋁合金的加速固溶處理方法
用于鋁合金的加速固溶處理方法
駄領域—般而言鋁合金，特別為鋁-硅基(Al-Si)合金(例預括A356、 319 和A357)通常以其 贓、延展性禾財目對低成本的鑄造性而公知地應用于汽車和 相關運輸工業中。通過時效(也稱為沉淀)硬化得到的強化可以用于這樣的合 金，其中至少一種合金化元素的固溶度隨著溫度降低而降低，固溶熱處理
(solution heat treatment)是一種通過沉淀硬化得到鑄造鋁合^^f需弓販的方法。 固溶熱處理可以用來增加時效硬化性的鍛鋁合金和鑄造鋁合金的實例包括
6000、 7000和300系列。固溶熱處理用于三個主要目的(1)來自于金屬間相的溶質元素的
溶解，所述溶質元素將會隨后導致時效硬化，(2)未溶組分的球化，和(3)鑄 造后材料中溶質濃度的均勻化從而得至U所需的3販值。在傳統的固溶鵬中(在 熱風爐或流化床中的分，tl^續處理)，固溶處理周期通常為單一步驟工藝，其 中鑄件被加熱至特定^Jt然后在該M下保持特定的時間。正如本領域技術人員將理解的那樣，對鋁合金實施固溶熱處理存在 多種方法。 一種方法為將該材料放置到熱風爐中。另一種方^^吏用了流化床爐， 其中該爐或者流化介質從室溫ltt接加熱至均m^ (soakingtemperature),然 后對于整個固溶熱處理均保持該均熱溫度。這些形式的傳統固溶處理工藝均存 在問題。就熱風爐而言，該熱處理工藝在相對低和恒定的溫度下占用了長的時 間(例如，6-10小時)。在這些條件下，不僅消耗了更多的能源而且由于低擴散 動力學，鋁合金中的低熔點平衡相溶解得很慢。該低擴散與鋁合金及其部件、構件和其制成的相關設備的高效高速生產是不相容的。另外，由于在傳統固溶 鵬中的低均熱纟鵬造成的溶質元素的低溶解度，限制了隨后時效硬化的能力。 所以，材料的性能，特別是拉伸強度通常低。就流化床爐子而言，使用物理上近似于惰性液體(inert liquid)的流 化介質，Sia而意味著到制品上的熱傳遞相對較快。無論在熱風爐或者流化床 方法中，該爐或者流化介質從室溫被直接加熱至均熱溫度然后在整個固溶熱處 理過程中均保持在該均熱溫度，如關于分批處理的圖1A和關于連續處理的圖 IB中所示。在分JM爐子中，該爐子在部件己經裝載和爐門關閉后開始升溫。 這些部件在爐中亦為靜態的。與此相反，在連續爐中，部件從爐子的一端裝載 并從另一端卸載。該部件也在爐子內部緩慢移動。無論何種情況，其中均熱均 占用了長時間，在該工藝中消耗了大量的能源。通常，與分批處理相比，連續 處理，用于大量生產。同樣地，延長的固溶熱^i粗化了共晶顆粒(例如， 硅)，導致了枝晶周圍的硅貧化。通常，固溶熱處理為用于可時效5更化的鋁合金熱處理的更大策略中 的一個部分。除了產品或構件在相對高溫(但是低于合金的熔點)下的上述固 溶處理之外，典型的進行兩個額外步驟。第一，在冷介質中，如水中，在設定 驢(如室溫)進行快淑賴口 (或者淬火)。然后，妒品或構件M:在室溫(也 稱為自然時效)或者在中間溫度(公知為人工時效)保持一段時間進行時效。 該淬火行為往往是為了保持溶質元素頓飽和固溶體中，并形成空位的超飽和 從而增強沉淀物的擴散和分散。為了最大化合金的強度，應該在淬火期間避免 所有強化相的沉淀。時效(自然或人工)形成了強化沉淀物的，分散。公知的一種熱處理鋁合金鑄件的方法為T-6工藝。如圖2中所示，T-6 通常包括在高溫下保持該鑄件長期的時間(典型的12小時或更久)，然后進行 7jC淬和長期的時效(常常稱為自然時效，為24小時或更久)，然后在更低的溫 度下保持另一長期的時間(例如，約8小時)進行第二熱處理。通過放置鑄件 至爐子或相關加工容器中并且加熱其至第二熱處理條件，該鑄件進行了人工時 效，因此與自然時效相比，其采用了更少的時間硬化了金屬并增加了其強度。除此之外，希望提出避免上述缺點的用于鋁合金的固溶處理周期。 還希望利用更少的時間和能源來最大化強化元素在溶體中的溶解。還希望提出 固溶熱處理周期，其肯,適用于不同的鋁合金，該鋁合金由各種鍛造、鑄造、粉末冶金或其他制造方法制成。
發明內容
這些希望由本發明進行解決，其中根據本發明的第一方面，公開了熱處理鋁合金的方法。該方法包括在加工容器內建立在合金均熱溫度和液相線、皿之間的溫度曲線，然后在第一加熱操作中快3I加熱該合金至均熱溫度。本領域M人員應該認識到，本發明中，所述快速加熱包括加熱時間顯著的快于傳統所使用的。例如，依賴于鋁工件的質量和壁厚，該加熱可以在數辦中內完成。該快速加熱可能比傳統的加熱要決上約一個數量級，其有利于分解第二相顆粒的網絡，這是由于在該顆粒中弓胞了高熱拉伸應力和加速了平衡相的溶解和球化。隨后，加工容器內的溫度降低到均熱溫度，然后在第二加熱操作中該合金M逐漸增加溫度的方式被加熱至高于均熱溫度的溫度。以這種方式，該固溶熱處理(其是非等纟顯處理，因為其所賦予的溫度曲線是時間的函數)可以針對合金的需要進行定制，因此利用了最少的育繊輸Af啁期時間最優化了其機械性質(如，鵬)。任選地，該方法包括，恰恰在合金被放置在容器中后，在第一加熱過程中逐漸降低加工容器內的溫度至均熱溫度。該方法進一步包括，在第一和第二加熱操作之間，保持該合金在基本恒定的均熱纟顯度。第二加熱操作的逐^斬加熱可以基于觀懂到的、感測到的或預測到的性質。例如，基于合金低烙點組分的溶解速率，所逝氏熔點組分隨后用來弓胞合金時效硬化。合金中低熔點組分的累進擴散導致了基于相平衡熱力學的殘余材料的熔點的逐漸增加，因而該合金可以逐漸被加熱至更高的溫度而不會引起初熔。在一種特殊的形式中，該加工容器為爐子，其可以為熱風爐或者流化床爐。另外，該方法可以包括分批處理或者連續處理。在另一種選擇中，該方法可以用于在隨后的時效處理中最小化無沉淀區(PFZ)尺寸，其有利于增加抗疲勞性。另外，利用計算熱力學和動力學模型，能夠最優化非等溫固溶處理。在特殊的形式中，用于快速加熱合金從而達到所需均熱溫度的時間為5併中頗少。甚至更特^t也，所要求保護
的快速加熱使用的時間為3併中或更少。根據本發明的第二方面，公開了確定鋁合金用固溶熱處理制度的方
法。該方法包括建立模型來模擬鋁合金的對于多個非等溫熱處理條件的微結構響應(microstructural response),該模型包^i十算熱力學和動力學的至少一種；和最優化該制度棘大化合金的至少一種機械性質(例如，3販)。M51采用自給性的熱力學建模技術(self-consistent thermodynamic modeling technique),可以針對在固溶處理期間復雜的多組分系統建立競爭相(competitive phase)的熱力學描述，其中該競爭相包括亞穩相。本發明人己經發現，這允許合理預測相之間的競爭隨著合金組成和^j^變化的變化。所述優點在計算熱力學中也被注意到。該計算熱力學和動力學方法不僅能預測在平衡時會發生什么，而且能提供
在形核、生長或溶解階段可能會發生什么的指導。這樣就允許對熱傳mx藝(如固溶處理)進行一定程度的定制來加速合金中低熔點相的溶解:m呈而不會弓胞
初熔。計算熱力學的出現還提供大的機會來將多級結構建模(multi-scale structuremodeling)和針對多組分系統的相平衡計算結^來。
〖0012]根據本發明的第三方面，公開了非等溫熱處理鋁合金的方法。該方
法包括使用計算熱力學模型和動力學模型中的至少一種來^:用于該合金的固
溶熱處理制度，然后與該熱處理制度一致的溫度狀況可以用于在爐中或者相關加工容器中熱處理該合金。該熱處理制度包括加熱加工容器至均熱溫度和合金的液相線^鵬之間的》鵬，該合金已經或者將要爭頗文置至咖工容器中。另外，該制度包括在第一加熱操作中加熱合金至均熱M^，斷氐加工容器內部的纟鵬至均熱溫度，和在第二加熱操作中通^^漸增加溫度的方式加熱該合金至高于均熱、溫叟的溫度。在任選的形式中，在第一和第二加熱操作之間可以保持均熱^j^一段時間。
當結合下述附圖閱讀時，育巨夠最好的理解本發明的下列具體實施方式
。
亂1A表示了典型的根據現有技術用于鋁合金的固溶熱處理工藝，其中爐子和爐子中的鋁合金同時被加熱至購熱^K;
亂1B表示了典型的根據現有技術用于鋁合金的固溶熱處理工藝，其中爐子被首先加熱至均熱溫度，然后爐子中的鋁合金被帶至均熱溫度；
圖.2表示了根據現有技術用于鋁合金的典型的T-6熱處理周期；
圖,3A表示了用于分批處理的根據本發明一個方面的非等溫固溶處理工藝
8的第一加熱操作；
圖,3B表示了用于連續處理的根據本發明一個方面的非，固溶處理工藝的第一加熱操作；
圖.4A表示了用于分批處理的根據本發明一個方面的非等溫固溶處理工藝的第一加熱操作和第二加熱操作；
圖.4B表示了用于連續處理的根據本發明一個方面的非^M固溶處理工藝的第一加熱操作和第二加熱操作；
圖.5表示了疊加至艦有技術的4樣性^g曲線上的，根據本發明的一個方面，爐子和鋁合金部件的基于計算熱力學和溶解或粗化動力學中的至少一種的代表性^^曲線；
圖.6表示了319鋁合金(SDAS: 40um)中殘余Al2Cu相的分數和非，固溶處理周期之間的關系；
圖.7表示了在一些非紫顯固溶處理周期和傳統固溶處理中的熱風分批爐和鋁合金物體兩者的溫度曲線；
圖.8表示了室溫下319鋁合金的屈服纟艘的對比，其中該鋁合金在一些非，固溶處理周期和傳統固溶處理中進行了固溶處理；
圖.9A表示了319鋁合金(SDAS: 40um)的微觀結構的顯微照片，該鋁合金已經在傳統工藝中進行了固溶處理；和
圖.9B表示了319鋁合金(SDAS: M0um)的^[11結構的顯傲照片，該鋁合金已經在非，周期中采用圖7所示的溫度曲線進行了固溶處理。
具體實施例方式首先參考亂3A和3B，采用t魏加熱得到初始的爐子働卩熱介質溫度TV (也稱作初始溫度曲線)，該溫度TV高于在傳統固溶處理中使用的均，度Ts。特別參考圖3A所示，這可以在分批處理中用于同時加熱爐子和爐子中容納的鋁合金(其中每次引入新批次鋁合金材料時都達到爐內的該鵬)，同時
特別如圖.38所示，其也可以在連續處理中用于^z:初始爐子，(其中爐內溫
度一直保持在升高的水平)。還如在分ffi^I連續處理中所示，均，被，仍然低于材料的熔點Tm。在本發明中，加熱介質可以為沙子、不辦R或在流化床中f頓的相關的介質。爐子或其它加熱介質的初始溫度曲線TV基于計算熱力學和動力學(下文中進， #細描述)進行設計 免任何初熔(incipient melting)。暫時保持初始溫度曲線IV高于均熱纟顯度Ts，與傳統的加熱相比，鋁合金材料(裝入的)得到了更快的加熱。也可以最優化初始溫度曲線1^123來產生最大熱應力和平衡相的最快的分裂和球化而不弓胞材料的任何變形和裂紋。平衡相的最快分裂和球化不僅將加快溶解過程而且降低由于鑄造工藝帶來的宏嫩微觀偏析。在許多鑄造工藝中，相變過程并不平衡。能夠實行的是，在不引起初熔的情況下建立遠高于傳統固溶處理所釆用的均熱溫度Ts的初始爐子或者加熱介質的溫度TV也稱作初始溫度曲線)。
在初始加熱階段，鋁合金物體的溫度低。根據熱傳遞(公式i)，從熱風傳ms
鋁合繊體的熱通量(公式1的左項)要遠低于從鋁合金物體的表面傳導至中心的熱通量(公式1的右項)，這是由于鋁合金的高的劍專導率。因此，可以通過下式來設計丁F②從而最大化加熱速率
其中，ti為從空氣至鋁合金物體上的總熱傳遞系數，k為鋁合金的熱傳導率，L
為鋁合金物體的表面溫度，TAc為鋁合金物體中心的溫度。如上所述，在鋁合金中，固溶熱處理包括作為均勻化行為的一部分的金屬間化合物的溶解、第二相顆粒的球化以及微觀偏析和分裂的減少。相對于現有技術，本發明的一個顯著優點為它采用了非等溫熱處理狀況。鋁合金在給定時間的最大可行固溶處理^^依賴于1tH結構進化的狀態和材料中相的存在。鋁合繊體中的固溶艦(均熱)、鵬Ts的上限應該不^31合金中殘余相的最f鵬點。
rs < M'"r《,c) (2)
其中Q—(KKTc; (KKtb; 0<C<Co}圖4A和4B表示了本發明中針對分批(圖.4A)和連續(圖.4B)處理而提出細一等溫固溶鵬、鵬曲線。爐子1V和被熱處理的合金TA的纟鵬曲線均為時間的函數，并在^t固溶處理期間基于計算熱力學和動力學被計算和最優化，該動力學包括溶敏粗化動力學。假設鋁基體中的熱膨脹系數遠大于第二相顆粒如娜粒的熱膨脹系數，那么對于相同的AT，與第二相顆粒相比，該鋁基#^膨脹更多。為了與鋁合金物體中鋁基體膨脹相容，在第二相顆粒中弓胞了拉伸應力。當拉伸應力高于第二相顆粒的斷裂強度時，織二相顆粒將爐因而發生分裂。在第一加熱操作中，可以設計爐子的溫度曲線TF(t)和鋁合金物體的》顯度曲線TA(t)并根據下面的公式進行進一步最優化。
(4)
改
其中u為從空氣至鋁合金物體的總熱傳遞系數，p為鋁合金物體的密度，Cp為鋁合，體的比熱。，當鋁合金部件皿達到均熱^J叟Ts時，該爐子可以逐漸被加熱至與特定固翻處理制度相一致的更高的、鵬TF(t)。如上所述，該制度繊于目標合金中低熔點相的溶解速率，該溶解速率為擴鵬制的。因而，爐子(或者相關容器)和鋁合金材料兩者的溫度曲線可以采用試驗確定或者計算得到，并在整個固溶處理期間基于計算熱力學和溶解/粗化動力學進行最優化。尤其如圖6中所示，基于計算熱力學和動力學模型計算出了在固溶處理期間的鋁合金物體(例如319合金)的溫度曲線和殘余金屬間相(例如Al2Cu)的分數(百分比)，該動力學包括溶解動力學和粗化動力學。在固溶熱處理期間，合金的可溶組分可能球化和聚結， 一些完全溶解，具體取決于組分
ii組皿其船七溫度。相對不溶的組分隨著高肯助角的溶解而變得更加無棱(less angular),因而陶氐了合金中的應力集中水平。ffl51可溶組分的溶解，合金中溶 質元素的超飽和水平增加了，從而增加了在隨后的時效處理過程中用于沉淀反 應的驅動力。在319鋁合金中，金屬間相Al2Cu具剤氐的靴》鵬，同時，其 可以在480-51(TC的^m在一定時間內完全溶解。完全溶解該Al2Cu相的時間量 于溫度和MCu顆粒的初々滿造尺寸。均撫UJ^越高，金屬間顆粒溶解得 趟決。同樣地，Al2Cu顆粒尺寸越小，溶解娜粒所需的時間越短。通常，在固 溶熱鵬期間的平衡第二相的溶解可以認為是擴鵬制的過程。對于帶有曲率P 的球形沉淀的溶解，溶解速率可以通過下式估算-
& = (Cf-C"Z) — C,-Cf D "2 (5) & 一 、 (C, _ 化J 、C, -八/ ,，
其中ri為第i沉淀物的半徑，Cdi為在溶解^Jt溶質的平衡濃度，(^為在生長溫
度溶質的平衡濃度，CPi為在第i沉淀物中溶質的濃度，Di為擴散系數，p為沉淀
物曲率，同時t為溶解時間。
C0023]公式(5)需要濃度曲線的知識，其可以ftffl下述用于多組分擴散的
公式獲得，即
(6)
其中G (r, t)為第i元素在位置r和時間t的濃度，Cj (r， t)為第j元素在位置r 和時間t的濃度，同時，D'j標了溶質如Mg、 Cu在鋁基體中的擴縣數。公式 (5)和(6) MMi^[戈法求解。通過0stwald熟化或者聚結或者同時i!31以上兩 種機理的組合發生第二相顆粒如硅的粗化。Ostwald熟化包^131從較小結構中 原子的脫離而進行的質量傳遞，然后這些原子通過基體擴散最終將其自身附著 到更大結構的表面上。熟化的最終結果是較小結構的收縮和^結構的生長。 系統中平均顆粒尺寸增加的同時顆粒的數量密度減少了。粗化，從另一方面說， 包括兩個或更多顆粒的融合。要發生該現象，必須將顆粒相互接觸；在這種情 況下，驅動力是表面能量的降低。對粗化的最常用描述是由于 Liftshitz-Sylozov—Wagner(LSW)，即
^°9 燈
其中&為粗化沉淀物的半徑，r。為其初始半徑，D為擴散系數，R為通用氣體
1常數，C。為粗化相的平衡濃度，T為溫度，y為表面能量，Vato為原子體積
(m3/mol)， t為粗化時間。如亂9A和犯中微觀照片所示，在319鋁合金的傳統固溶熱M微 觀結構中觀察到了一種組分，M2Cu，的未完全溶解(圖.9A)，而如圖.9B中所 示，在非等溫周期固溶處理4小時的微觀結構中觀察到了 Al2Cu相的完全溶解。 該Al2Cu相的完全溶解導致了屈服強度的提高。另外，在非等溫固溶處理的微 觀結構中硅顆粒的邊,起來更加鈍，雖然該固溶處理時間被降低了差不多一 半。這里討論的所給出的加速固溶熱處理也能夠有助于在隨后的時效處 理中最小化PFZ尺寸。這樣具有額外的增加耐疲勞性的好處，這是由于其避免
了延長的熱^ba有粗化共晶，粒的趨勢，所igM勢會導致枝晶周圍的硅貧化。雖然己經為了示例本發明而給出了一些代表性實施方案和細節，但 ^t于本領域技術人員來說在不脫離本發明范圍的情況下，可以做出各種改變， 本發明范圍在t又利要求書中進行限定。
1權利要求
1、熱處理鋁合金的方法，所述方法包括在加工容器內建立位于所述合金的均熱溫度和液相線溫度之間的溫度；在第一加熱操作中快速加熱所述合金至所述均熱溫度；降低所述加工容器內的所述溫度至所述均熱溫度；和在第二加熱操作中，通過逐漸提高溫度來加熱所述合金至高于所述均熱溫度的溫度。
2、 如權利要求1所述的方法，其中該方法進一步包括i^f述第一禾瞎二加 熱操作之間，保持所述合金在基本不變的均熱^Jt。
3、 如權利要求1所述的方法，其中所述第一加熱操作的該決速加熱是基于 所述合金的熱性質和熱傳遞性質的。
4、 如權利要求1所述的方法，其中所述第二加熱操作的該逐漸加熱是基于 所述合金的低熔點相或組分的溶解速率的，所述低熔點相或組分隨后用于弓胞 該合金的時效硬化。
5、 如權利要求l所述的方法，其中所述加工容器包括爐子和加熱設備中的 至少之一。
6、 如權利要求5所述的方法，其中所述爐子包括熱風爐和流j彼爐中的一個。
7、 如權利要求5所述的方法，其中所述加熱設備包括油浴和鹽浴中的至少 一種。
8、 如權利要求6所述的方法，其中所述方法包括分批鵬和連續處理中的 一種。
9、 如權利要求1所述的方法，其中用于所述第二加熱操作的制度基于計算 熱力學模型和動力學模型中的至少一種。
10、 如權禾腰求9所述的方法，其中所述動力學模型包括溶解動力學和粗化動力學中的至少一種。
11、 如權利要求10所述的方法，其中所述溶解動力學使用公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中ri為溶解前第i沉淀物的半徑，Cdi為在溶勝驢溶質的平衡濃度，G 為在生長溫度溶質的平衡濃度，G為在第i元素中溶質的濃度，D,為第i沉淀 物的擴散率，p為該沉淀物的曲率，t為溶解時間，Ci (r， t)為第i元素在位置r 處和時間t的濃度，Cj(r， t)為第j元素在位置r處和時間t的濃度，同時，Du 標了所述合金中溶質的擴散系數，T為纟M。
12、 如權禾腰求10所述的方法，其中所述粗化動力學f頓公式<formula>formula see original document page 3</formula>其中R為通用氣體常數，C。為所述粗化沉淀物的平衡濃度，req為粗化沉淀 物的半徑，r。為所述粗化沉淀物初始半徑，T為^S， y為表面能，V她為原子 體積，D為所述粗化沉淀物的擴散系數。
13、 如權利要求ll所述的方法，其中所述溶質的擴散系數包括鎂和銅的至 少一種。
14、 如權利要求1所述的方法，其中所述快速加熱該合金包括在五併中或 更短的時間內達到所述均熱溫度。
15、 如權利要求14所述的方法，其中所述在五併中或更短的時間內超lj所 述均^M^包括在三^H中或者更短的時間內達到所述均熱、溫度。
16、 確定鋁合金用固溶熱處理制度的方法，該方飽括 粒模型來模擬所述合頓于多種非等溫熱鵬劍牛的微結構響應，該模型包^i十算熱力學和動力學中的至少一種；和最優化該制度 大化所述合金的至少一種*幾械性質。
17、 非等溫熱處理鋁合金的方法，所述方法包括使用計算熱力學模型和動力學模型中的至少一種來^所述合金用固溶熱 鵬制度；和根據所述熱M制度來控制加熱加工容器內的^J^狀況，所述熱處理制度 包括加熱所述加工容器至位于所述合金的均熱溫度和液相線溫度之間的溫度，所述合金己經或者將要被方想到所述加工容器中；在第一加熱操作中快速加熱所述合金至所述均辦鵬；陶^f述加工容器內的所述鵬至所述均熱 鵬；和 在第二加熱操作中，通i!M漸提高MJ^來加熱所述合金至高于所述均熱溫
18、 如權利要求17所述的方法，其中所述快速加熱所述合金包括在五^l中 或者更少的時間內達到所述均熱溫變。
19、 采用^l利要求17所述方法制成的鋁合金。
全文摘要
本發明提供鋁合金的加速固溶處理的方法。一種非等溫工藝被用來提供更快的熱處理周期時間同時在隨后的時效硬化后保持或者進一步提升合金機械性質。該工藝包括建立加工容器內的溫度，該溫度高于所述合金的均熱溫度但是低于其液相線溫度，在第一加熱操作中快速加熱所述合金至所述均熱溫度，降低所述加工容器內的所述溫度至所述均熱溫度，然后在第二加熱操作中通過逐漸提高溫度來加熱所述合金至超過所述均熱溫度的溫度。用于改進的固溶熱處理的制度可以基于計算熱力學、溶解動力學和粗化動力學中的一種或多種。
文檔編號C22F1/04GK101638761SQ200910163919
公開日2010年2月3日 申請日期2009年6月25日 優先權日2008年6月25日
發明者Q·王 申請人:通用汽車環球科技運作公司