汽车铝合金车轮的热处理工艺

汽车铝合金车轮的热处理工艺1.1固溶处理此阶段将车轮铸件升温到固溶线以上的单相区域，使溶质全部溶入α基体中，而成为单一固溶相。但所选取的温度不得超过共晶溶解温度，否则沿晶界将有溶解现象，在淬火后，会形成很脆的膜，会降低车轮的力学性能。在固溶温度的上下限之内，温度取的越高，其原子扩散速度愈快，溶质溶入α基地中愈完全，过饱和析出的量也就愈大，人工时效时，析出硬化的效果也就愈好，反之则愈差。而在决定固溶处理时间时，则需要足以让溶质原子全部溶入α基体，因而有其最短时间性的限制，时间如果太长则会造成晶粒过度成长并且浪费能源，故应选取一最合理的时间，另外热处理物件的形状、厚度及加热介质的不同，会影响加热速度率及均匀性，也都需列入考量之中。Al-Mg-Si合金之T6处理程序中的固溶处理，其主要目的是为了要溶解铸造时析出的粗大Mg2Si、使铸件均质化及改变共晶Si形状。所以固溶温度要接近共晶温度，但不得超过，以避免晶界溶解，而造成力学性能的降低。一般而言，固溶处理时间温度对A356.2合金的影响情形为，在520℃或530℃时，其抗拉强度、伸长率随固溶时间的增加而增加。在540℃其抗拉强度及延伸率在很短的时间即可达最大值后，然后逐渐降低。但是抗拉强度及屈伏强度变化量不大，在伸长率方面，530℃固溶处理12小时，即可达18%的延伸率；但於540℃时只需2小时即可达到此值。冲击强度随固溶温度及时间的增加而增加，若有540℃固溶处理9小时冲击强度可达最大值。在520℃固溶处理，其硬度值的变化不大，总之，只有抗拉强度及伸长率受固溶处理条件的影响较大。在经济考虑上，降低固溶处理的时间是可行的，因为在Al-Si-Mg合金中，Si与Mg的偏析并不严重，因此只要很短的时间即可完成均匀化及Mg2Si固溶到α基地中，如果适当的添加变质剂（如Sr、Na、Sb），即可在不损害力学性能的情况下，降低固溶时间。溶质元素在树枝状凝固组织中的偏析，会损坏材料的力学性能。因此固溶处理时可以兼顾使材料达到均匀化的目的，而降低合金元素偏析的现象。均匀化所需要的时间长短取决于固溶温度及固溶时间，在铸造状态，树枝状组织的中央部分，其含Si量最高，因为这个原因，造成此区域有较高的温度，造成Si在树枝状组织的固溶度亦较大。对于镁的偏析现象，则较为轻微。通常在550℃的固溶温度，维持30分钟即可使铸件达到均匀化的要求，一般而言，均匀化的时间愈长，铝合金的伸长率会愈好，因为共晶Si会愈圆滑。1.2淬火此阶段是将固溶处理后之单一固溶相淬火到固溶液线以下的温度，而得到过饱和固溶体。但是为了得到最大的析出量（即最佳析出硬化效果），冷却速率应够快，尤其需避免析出最快的温度范围，若在此温度范围的时间过长，则会造成粗大的平衡相析出。它们非但没有强化作用，而且使得基地过饱和度减少，降低了之后人工时效析出硬化的效果。因此淬火有两项要求：（1）从炉中移至淬火液，需避免在空气中冷却至最快的析出范围，即TTT曲线中的Keepnose部分；（2）在淬火介质中需快速通过最快析出的范围。为了有效达到这两项要求，实用上须限制延迟时间的计算以空气打开至全部工件浸入淬火介质为止。Al-Si-Mg铝合金固溶处理后，铸件通常在水中淬火，淬火的目的是抑制Mg2Si平衡相在冷却的过程中析出，使其Mg、Si及溶质原子留在固溶体中，以期在低温时得到最大过饱和度Mg和空孔的固溶。淬火液及淬火时间将影响此步骤的两个因素，淬火液一定要有足够的能力来带走铸件上热量，以产生最快的冷却速率，因为愈快的冷却速率愈能使Mg2Si保留在固溶体中，以获得最大强度。但淬火冷却速度亦不能无限至的快，否则铸件通常以25℃-100℃的水来淬火。淬火条件对A356合金的影响情形为，冲击强度、伸长率及抗拉强度随淬火温度及淬火延迟时间的增加而降低，也就是说，在较快的淬火速率（较低的淬火介质温度或热传导较佳的淬火介质）可得到较大的伸长率及冲击强度。另外，为了确保Mg2Si在时效处理时能够分布均匀，因此铸件在炉中取出后，一般而言，需在30秒内淬火，但是针对A356.2这种淬火敏感性高的材料，为发得到较佳的力学性能，淬火延迟时间最好在10秒内较好。1.3时效处理此阶段是将淬火后所得的过饱和固溶体，及置於衡温中，使其逐渐析出析出物而造成性质上的变化，此性质包括强度、硬度、韧性、延伸率、疲劳强度、抗腐蚀性、耐应力腐蚀性、导电性等。依时效处理温度的不同可分为自然时效与人工时效，在室温进行的称为自然时效（naturalaging）；而置於室温以上温度和环境中进行的称为人工时效（artificalaging）。实施时效时，随着时间的增加，合金内部的组织会发生改变，而引起物理、化学及力学性能的变化。若是有引起硬度或强度的显著增加，可称之为时效硬化。人工时效的变数通常为温度与时间的配合，由于每种性质的最佳处理温度与时间均有差异。故除非有特殊需求，实用上是选择一些重要性质之最佳组合为考虑因素。时效处理可用油浴炉、盐浴炉、热水炉或空气炉，但温度需精确均匀，如果不均匀的话可能会造成性质随部位而差异的状况出现，一般以油浴炉较好。1.3.1自然时效将淬火后之铸件保持室温一段时间，称为自然时效。其影响为硬度，降伏强度随自然时效时间的增加而降低，但伸长率及冲击强度会逐渐增加。尤其含高镁（Mg）的合金，此现象更明显。自然时效的影响通常以前面三小时的影响最大。若储存于0℃以下，则可以避免自然时效的影响。合金成份对自然时效的影响也很大，在含镁较高的合金中，自然时效影响拉伸强度较明显，有文献中提到铸件中若含有In、Sn、Cd或Cn可能会减轻预时效的影响。1.3.2人工时效人工时效处理对Si粒子的形状与组织无关，人工时效的目的是促使饱和固溶体中的溶质析出。Al-Si-Mg合金的析出程序如下：最初的析出是针状再成长成棒状的β-Mg2Si之前得到，其主要强化相为棒状的β-Mg2Si。时效处理的温度及时间是影响析出性质的两个主因而通常A356.2的时效温度约为120℃～180℃，其抗拉及屈伏强度随时效温度的增加而提升，但伸长率及冲击强度却会随时效温度的增加而减低。根据文献，于180℃时效6小时可得到最佳强度，而在140℃时效4小时可得到最佳的延伸。