铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防

铝合金铸件热处理后常见的质量问题有：力学性能不合格、变形、裂纹、过烧等缺陷，对其产生原因和消除与预防办法分述如下。   

（1）力学性能不合格

通常表现为退火状态伸长率（δ5）偏低，淬火或时效处理后强度和伸长率不合格。

其形成的原因有多种：如退火温度偏低、保温时间不足，或冷却速度太快；淬火温度偏低、保温时间不够，或冷却速度太慢（淬火介质温度过高）；不完全人工时效和完全人工时效温度偏高，或保温时间偏长；合金的化学成分出现偏差等。  

消除这种缺陷，可采取以下方法：再次退火，提高加热温度或延长保温时间；提高淬火温度或延长保温时间，降低淬火介质温度；如再次淬火，则要调整其后的时效温度和时间；如成分出现偏差，则要根据具体的偏差元素、偏差量，改变或调整重复热处理的工艺参数等。  

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下图为铝合金铸造热处理炉

（2）变形与翘曲

通常在热处理后或随后的机械加工过程中，反映出铸件尺寸、形状的变化。

产生这种缺陷的原因是：加热升温速度或淬火冷却速度太快（太激烈）；淬火温度太高；铸件的设计结构不合理（如两连接壁的壁厚相差太大，框形结构中加强筋太薄或太细小）；淬火时工件下水方向不当及装料方法不当等。

消除与预防的办法是：降低升温速度，提高淬火介质温度，或换成冷却速度稍慢的淬火介质，以防止合金内产生残余应力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纤维等隔热材料包覆薄壁部位；根据铸件结构、形状选择合理的下水方向或采用专用防变形的夹具；变形量不大的部位，则可在淬火后立即予以矫正。  

（3）裂纹

表现为淬火后的铸件表面用肉眼可以看到明显的裂纹，或通过荧光检查肉眼看不见的微细裂纹。裂纹多曲折不直并呈暗灰色。

产生裂纹的原因是：加热速度太快，淬火时冷却太快（淬火温度过高或淬火介质温度过低，或淬火介质冷却速度太快）；铸件结构设计不合理（两连接壁壁厚差太大，框形件中间的加强筋太薄或太细小）；装炉方法不当或下水方向不对；炉温不均匀，使铸件温度不均匀等。

消除与预防的办法是：减慢升温速度或采取等温淬火工艺；提高淬火介质温度或换成冷却速度慢的淬火介质；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔热材料；采用专用防开裂的淬火夹具，并选择正确的下水方向。  

（4）过烧

表现为铸件表面有结瘤，合金的伸长率大大下降。

产生过烧的原因是：合金中的低熔点杂质元素如Cd, Si, Sb等的含量过高；加热不均匀或加热太快；炉内局部温度超过合金的过烧温度；测量和控制温度的仪表失灵，使炉内实际温度超过仪表指示温度值。  

消除与预防的办法是：严格控制低熔点合金元素的含量不超标；以不超过3℃/min的速度缓慢升温；检查和控制炉内各区温度不超过±5℃；定期检查和校准温度测控仪表，确保仪表测温、示温、控温准确无误。

(5) 表面腐蚀

表现为在铸件的表面出现斑纹或块状等，其色泽与铝合金铸件表面明显不同。

产生这种缺陷的原因是：硝盐液中氯化物含量超标（＞0.5%）而对铸件表面（尤其是疏松、缩孔处）造成腐蚀；从硝盐槽中取出后没得到充分的清洗，硝盐粘附在铸件表面（尤其是窄缝隙、不通孔、通道中）造成腐蚀；硝盐液中混有酸或碱，或者铸件放在浓酸或浓碱附近受到腐蚀等。  

消除与预防的办法是：尽量缩短铸件从炉内移到淬火槽中的时间；检查硝盐中氯化物的含量是否超标，如超标，则应降低其含量，从硝盐槽中加热的铸件应立即用温水或冷水冲洗干净；检查硝盐中酸和碱的含量，如有酸或碱则应中和或停止使用；不要把铝合金铸件放在有浓酸或浓碱的附近。  

（6）淬火不均匀

表现为铸件的厚大部位（特别是其内部中心）的伸长率和硬度偏低，薄壁部位（特别是其表层）的硬度偏高。

产生这类缺陷的原因是：铸件加热和冷却不均匀，厚大部位冷却和传热较慢。  

消除与预防的办法是：重新进行热处理，降低升温速度，延长保温时间，使厚薄部位温度均匀一致；在薄壁部位涂敷保温性的涂料或包覆石棉等隔热性材料，尽量使铸件各部位同时冷却；使厚大部位先下水；换成有机淬火剂，降低冷却速度。

铝合金的热处理  

铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大，因而在热处理时也有所不同。前者保温时间长，一般都在2h以上，而后者保温时间短，只要几十分钟。因为金属型铸件、低压铸造件   

铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大，因而在热处理时也有所不同。前者保温时间长，一般都在2h以上，而后者保温时间短，只要几十分钟。因为金属型铸件、低压铸造件、差压铸造件是在比较大的冷却速度和压力下结晶凝固的，其结晶组织比石膏型、砂型铸造的铸件细很多，故其在热处理时的保温也短很多。

铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀，有异形面或内通道等复杂结构外形，为保证热处理时不变形或开裂，有时还要设计专用夹具予以保护，并且淬火介质的温度也比变形铝合金高，故一般多采用人工时效来缩短热处理周期和提高铸件的性能。  

一、热处理的目的   

铝合金铸件热处理的目的是提高力学性能和耐腐蚀性能，稳定尺寸，改善切削加工和焊接等加工性能。因为许多铸态铝合金的机械性能不能满足使用要求，除Al-Si系的ZL102，Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的铸造铝合金都要通过热处理来进一步提高铸件的机械性能和其它使用性能，具体有以下几个方面：

1）消除由于铸件结构（如璧厚不均匀、转接处厚大）等原因使铸件在结晶凝固时因冷却速度不均匀所造成的内应力；

2）提高合金的机械强度和硬度，改善金相组织，保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能；

3）稳定铸件的组织和尺寸，防止和消除高温相变而使体积发生变化；

4）消除晶间和成分偏析，使组织均匀化。

二、热处理方法  

1、退火处理   

退火处理的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力，稳定加工件的外形和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si结晶球状化，改善合金的塑性。其工艺是：将铝合金铸件加热到280-300℃，保温2-3h，随炉冷却到室温，使固溶体慢慢发生分解，析出的第二质点聚集，从而消除铸件的内应力，达到稳定尺寸、提高塑性、减少变形、翘曲的目的。

2、淬火   

淬火是把铝合金铸件加热到较高的温度（一般在接近于共晶体的熔点，多在500℃以上），保温2h以上，使合金内的可溶相充分溶解。然后，急速淬入60-100℃的水中，使铸件急冷，使强化组元在合金中得到最大限度的溶解并固定保存到室温。这种过程叫做淬火，也叫固溶处理或冷处理。  

3、时效处理   

时效处理，又称低温回火，是把经过淬火的铝合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷直至室温，使过饱和的固溶体分解，让合金基体组织稳定的工艺过程。   

合金在时效处理过程中，随温度的上升和时间的延长，约经过过饱和固溶体点阵内原子的重新组合，生成溶质原子富集区（称为G-PⅠ区）和G-PⅠ区消失，第二相原子按一定规律偏聚并生成G-PⅡ区，之后生成亚稳定的第二相（过渡相），大量的G-PⅡ区和少量的亚稳定相结合以及亚稳定相转变为稳定相、第二相质点聚集几个阶段。  

时效处理又分为自然时效和人工时效两大类。自然时效是指时效强化在室温下进行的时效。人工时效又分为不完全人工时效、完全人工时效、过时效3种。

  1）不完全人工时效：把铸件加热到150-170℃，保温3-5h，以获得较好抗拉强度、良好的塑性和韧性，但抗蚀性较低的热处理工艺；

2）完全人工时效：把铸件加热到175-185℃，保温5-24h，以获得足够的抗拉强度（即最高的硬度）但延伸率较低的热处理工艺；

3）过时效：把铸件加热到190-230℃，保温4-9h，使强度有所下降，塑性有所提高，以获得较好的抗应力、抗腐蚀能力的工艺，也称稳定化回火。

  4、循环处理   把铝合金铸件冷却到零下某个温度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保温一定时间，再把铸件加热到350℃以下，使合金中度固溶体点阵反复收缩和膨胀，并使各相的晶粒发生少量位移，以使这些固溶体结晶点阵内的原子偏聚区和金属间化合物的质点处于更加稳定的状态，达到提高产品零件尺寸、体积更稳定的目的。这种反复加热冷却的热处理工艺叫循环处理。这种处理适合使用中要求很精密、尺寸很稳定的零件（如检测仪器上的一些零件）。一般铸件均不作这种处理。

5、铸造铝合金热处理状态代号及含义   代号 合金状态 热处理的作用或目的 说明   T1 人工时效 在金属型或湿砂型铸造的合金，因冷却速度较快，已得到一定程度的过饱和固溶体，即有部分淬火效果。再作人工时效，脱溶强化，则可提高硬度和机械强度，改善切削加工性。 对提高Zl104、ZL105等合金的强度有效。

  T2 退火 主要作用在于消除铸件的内应力（铸造应力和机加工引起的应力），稳定铸件尺寸，并使Al-Si系合金的Si晶体球状化，提高其塑性。 对Al-Si系合金效果比较明显，退火温度280-300℃，保温时间为2-4h。   

T4 固溶处理（淬火）加自然时效 通过加热保温，使可溶相溶解，然后急冷，使大量强化相固溶在α固溶体内，获得过饱和固溶体，以提高合金的硬度、强度及抗蚀性。 对Al-Mg系合金为最终热处理，对需人工时效的其它合金则是预备热处理。  

T5 固溶处理（淬火）加不完全人工时效 用来得到较高的强度和塑性，但抗蚀性会有所下降，非凡是晶间腐蚀会有所增加。 时效温度低，保温时间短，时效温度约150-170℃，保温时间为3-5h。  

   T6 固溶处理（淬火）加完全人工时效 用来获得最高的强度，但塑性和抗蚀性有所降低。 在较高温度和较长时间内进行。适用于要求高负荷的零件，时效温度约175-185℃，保温时间5h以上。  

   T7 固溶处理（淬火）加稳定化回火 用来稳定铸件尺寸和组织，提高抗腐蚀（非凡是抗应力腐蚀）能力，并保持较高的力学性能。 多在接近零件的工作温度下进行。适合300℃以下高温工作的零件，回火温度为190-230℃，保温时间4-9h。                                                                       

T8 固溶处理（淬火）加软化回火 使固溶体充分分解，析出的强化相聚集并球状化，以稳定铸件尺寸，提高合金的塑性，但抗拉强度下降。 适合要求高塑性的铸件，回火温度约230-330℃，保温时间3-6h。

T9 循环处理 用来进一步稳定铸件的尺寸外形。其反复加热和冷却的温度及循环次数要根据零件的工作条件和合金的性质来决定。 适合要求尺寸、外形很精密稳定的零件。  

三、热处理工艺   

1、铸造铝合金热处理工艺参数

2、热处理操作技术要点   

1）热处理前应检查热处理设备、辅助设备、仪表等是否合格和正常，炉膛各处的温度差是否在规定的范围之内（±5℃）；   

2）装炉前应吹砂或冲洗，应无油污、脏物、泥土，合金牌号不应相混；  

3）形性状易产生翘曲的铸件应放在专用的底盘或支架上，不答应有悬空的悬臂部分；

4）检查铸件性能的单铸或附铸试棒应随零件一起同炉处理，以真实反映铸件的性能；

5）在保温期间应随时检查、校正炉膛各处温度，防止局部高温或烧化；  

6）在断电后短时间不能恢复时，应将在保温中的铸件迅速出炉淬火，等恢复正常后，再装炉、保暖和进行热处理；  

7）在硝盐槽中淬过火的铸件，应在淬火后立即用热水冲洗，消除残盐，防止腐蚀；

8）发现淬火后铸件变形，应立即予以校正；   

9）要时效处理的零件，应在淬火后0.5h内进行时效处理；  

10）如在热处理后发现性能不合格，可重复进行热处理，但次数不得超过2次；

11）应根据铸件结构外形、尺寸、合金特性等制定的热处理工艺进行热处理。

3、热处理缺陷的产生原因和消除与预防办法   缺陷名称 缺陷表现 产生原因 消除与预防办法   

力学性能不合格

退火状态δ5偏低，淬火或时效处理后强度和延伸率不合格。 退火温度偏低或保温时间不足，或冷却太快；淬火温度偏低或保温时间不够，或冷却速度太慢（淬火介质温度过高）；不完全人工时效和完全人工时效温度偏高，或保温时间偏长，合金的化学成分出现偏差。 再次退火，提高温度或延长保温时间；提高淬火温度或延长保温时间，降低淬火介质温度；如再次淬火，则要调整其后的时效温度和时间；如成分出现偏差，则要根据具体的偏差元素、偏差量、改变或调整重复热处理参数。

变形、翘曲

热处理后，或之后的机械加工中反映出来的铸件的尺寸、外形变化。 加热速度或淬火冷却速度太快（太激烈）；淬火温度太高；铸件的设计结构不合理（如两连接壁的壁厚相差太大，框形结构中加强筋太薄或太细小；淬火时工件下水方向不当及装料方法不当。 降低升温速度，提高淬火介质温度，或换成冷却速度稍慢的淬火介质以防止合金内产生残余应力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纤维等隔热材料包覆薄壁部位；根据铸件结构、外形选择合理的下水方向或采用专用防变形的夹具；变形量不大的部位，则可在淬火后立即予以矫正。  

裂纹

淬火后的铸件表面用肉眼可以看到的明显的裂纹或通过荧光检查肉眼看不到的微细裂纹。裂纹多曲折不直并呈暗灰色。 加热速度太快，淬火时冷却太快（淬火温度过高或淬火介质温度过低，或淬火介质速度太快）；铸件结构设计不合理（两连接壁壁厚差太大，框形件中间的加强筋太薄或太细小）；装炉方法不当或下水方向不对；炉温不均匀，使铸件温度不均匀。 减慢升温速度或采取等温淬火工艺；提高淬火介质温度或换成冷却速度慢的淬火介质；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包复石棉等隔热材料；采用专用防开裂的淬火夹具，并选择正确的下水方向。  

过烧

铸件表面有结瘤，合金的延伸率大大下降。 合金中的低熔点杂质元素如Cd、Si、Sb等的含量过高；加热不均匀或加热太快；炉内局部温度超过合金的过烧温度；测量和控制温度的仪表失灵，使炉内实际温度超过仪表指示温度值。严格控制低熔点合金元素的含量不超标；以不超过3℃/min的速度缓慢升温；检查和控制炉内各区温度不超过±5℃；定期检查或校准测控仪表，确保仪表测温、示温、控温准确无误。  

表面腐蚀

铸件的表面出现斑纹或块状等与铝合金铸件表面的不同色泽。硝盐液中氯化物含量超标（＞0.5%）而对铸件表面（尤其是疏松、缩孔处）造成腐蚀；从硝盐槽中取出后没得到充分的清洗，硝盐粘附在铸件表面（尤其是窄缝隙、盲孔、通道中）造成腐蚀；硝盐液中混有酸或碱或铸件放在浓酸或浓碱四周受到腐蚀。尽量缩短铸件从炉内移到淬火槽的时间；检查硝盐中氯化物的含量是否超标，如超标，则应降低其含量（或浓度），从硝盐槽中加热的铸件应立即用温水或冷水冲洗干净；检查硝盐中酸和碱的含量，如有酸或碱则应中和或停止使用；不把铝合金铸件放在有浓酸或浓碱的四周。   

淬火不均匀

铸件的厚大部位的延伸率和硬度低（非凡是其内部中心），薄壁部位硬度高（非凡是其表层）。 铸件加热和冷却不均匀，厚大部位冷却慢，热透性差。 重新作热处理，降低升温速度，延长保温时间，使厚薄部位温度均衡；在厚壁部位涂敷保温性的涂料或包覆石棉等隔热性材料，尽量使铸件各部位同时冷却；使厚大部位先下水；换成有机淬火剂，降低冷却速度。  

四、热处理设备、材料   

1、热处理设备的主要技术要求  

1）由于铝合金淬火和时效温度温差范围不大（因其淬火温度接近合金内低熔点共晶成分的熔点），故其炉内的温度差应控制在±5℃；  

2）要求测温、控温仪表灵敏、准确，以确保温度在上述误差范围内；

3）炉内各区的温度应均匀，差别在1-2℃的范围内；  

4）淬火槽有加热装置和循环装置，保证水的加热和温度均匀；

5）应定期检查并更换已污染的冷却水。

2、淬火介质   淬火介质是保证实现各种热处理目的或作用的重要因素。淬火介质的冷却速度越高，铸件冷却的越激烈（快），金属组织中α固溶体的过饱和程度越高，铸件的力学性能也就越好，因为大量的金属间化合物等强化相被固溶到Al的α固溶体中去了。淬火介质按其对铸件的冷却速度的快慢依次为：干冰和丙酮的混合物（-68℃）、冰水、室温的水、80-90℃的水、100℃的水、经雾化过的水、各种油（菜籽油等）、加热到200-220℃的各种油、空气等。   

近年国内研制出来的铝合金淬火介质CL-1的冷却速度介于水和油之间，它可以任何比例与水互溶，其混合比例不同，冷却速度各异，故很便于根据淬火对象调整其冷却速度。它淬火之后无须再进行冲洗且表面光洁，对铸件无污染、无毒害，且能防锈。其主要技术指标是，外观：淡黄色到黄色粘稠状均匀液体，密度：1.085-1.1234mg/㎡，粘度Y38：≥154MPa·s，逆熔点：80-87℃，折光n：1.4138-1.4450，临界冷却速度：≥260℃/s（450-260℃）。  

CL-1有机淬火剂水溶液之所以具有优良的淬火特性，其机理是此溶液在对工件的淬火过程中，可在温度升到一定值时，从水溶液中析出有机成分并分解，并在工件的表面形成一层均匀的导电性薄膜，淬火气泡对工件是直接作用在此薄膜上，而不是直接作用在工件上，从而降低了形成淬火应力的直接捶击作用，因而减少了工件的变形和裂纹，并且在淬火之后，水溶液冷却到一定温度时，此有机薄膜又溶于水溶液中，恢复成原来的均匀的水溶液状态，不妨碍重复使用效果。

3、测温、控温仪表及材料   测温、控温仪表的精度不应低于0.5级，热处理加热炉应配有能自动测暖和控温的自动记录、自动报警、自动断电、复电的装置和仪表，以保证炉内温度显示和控制准确及温度均匀。   

热电偶用镍铬-镍硅、镍铬-镍铝质的直径为2.0-0.5㎜的偶丝。为提高温度仪的灵敏度、缩小温度的波动范围，最好使用Ф0.5-1.0㎜的上述材质的偶丝。并在使用前和使用过程（每3个月1次）检测、校准1次。