Heat treatment of cast aluminum alloys is a pivotal manufacturing process that transforms the mechanical and structural properties of cast aluminum, addressing inherent flaws from solidification (НАПРИМЕР., остаточное напряжение, component segregation) and unlocking performance tailored to industrial needs. By precisely controlling heating, heat retention, and cooling cycles, this process enhances strength, Улучшает размерную стабильность, and balances plasticity—making cast aluminum alloys viable for high-demand applications in automotive, аэрокосмическая, и электроника. This article breaks down its core purposes, key process types, influencing factors, and practical solutions to common issues, helping you leverage it for high-performance part production.
1. Core Purposes: Why Heat Treat Cast Aluminum Alloys?
The heat treatment of cast aluminum alloys targets five critical goals, each solving specific challenges from the casting process. Below is a 总分结构 explaining each purpose, supported by causal chains and application scenarios:
| Основная цель | Technical Objective | Промышленное воздействие |
| Eliminate Residual Stress | Cast aluminum forms internal stress during rapid solidification (due to uneven cooling). Термическая обработка (НАПРИМЕР., снятие стресса отжиг) relaxes these stresses to prevent deformation or cracking during machining or service. | Prevents precision parts (НАПРИМЕР., automotive gearbox housings) from warping after CNC finishing—reducing scrap rates by 30–40%. |
| Homogenize Microstructure | Solidification causes microscopic composition differences (НАПРИМЕР., silicon 富集 in Al-Si alloys). Heat treatment dissolves coarse second phases and distributes elements uniformly. | Improves material consistency: Al-Si alloy workpieces show <5% variation in hardness across the surface (против. 15–20% in as-cast state), ensuring reliable performance in load-bearing parts. |
| Reinforce the Matrix | Solution-aging treatment precipitates fine, uniform reinforcing phases (НАПРИМЕР., Mg₂Si in Al-Mg-Si alloys) within the aluminum matrix, significantly boosting strength and hardness. | Transforms as-cast A356 alloy (tensile strength ~150 MPa) into T6 state (предел прочности >300 МПА)—meeting aerospace component requirements for high yield strength. |
| Adjust Mechanical Properties | Tailors properties (сила, plasticity, стойкость) via process parameters: НАПРИМЕР., natural aging prioritizes thermal conductivity; peak aging maximizes strength. | Enables multi-functional parts: Electronic heat sinks use T5 state (natural aging) for good thermal conductivity (200–230 W/(м · к)) and moderate strength; automotive suspension brackets use T6 state for high impact resistance. |
| Improve Machinability | Softening treatments (НАПРИМЕР., full annealing) reduce material hardness, making cutting easier and extending tool life. | Lowers machining costs: Annealed ADC12 alloy (hardness 60–80 HB) cuts tool wear by 25–30% vs. as-cast ADC12 (90–110 хб.), ideal for high-volume smartphone frame production. |
2. Key Process Types: Технические детали & Приложения
The heat treatment of cast aluminum alloys encompasses three primary process categories, each designed for specific performance needs. The table below contrasts their parameters, mechanisms, и идеальное использование:
2.1 Отжиг (Softening Treatment)
- Применимые сценарии: Pre-machining softening, stress relief after casting, or preparing material for pressure forming.
- Параметры процесса:
- Нагревать до 410–450°C (below the alloy’s solution line to avoid grain coarsening).
- Hold for 2–4 часа (varies by part thickness: 2 часы для 5 ММ детали, 4 часы для 15 ММ детали).
- Cool slowly with the furnace to <260° C., Тогда воздух прохладно.
- Ключевая нота: Strictly control temperature—exceeding 450°C for Al-Si alloys causes abnormal grain growth, reducing plasticity by 15–20%.
2.2 Раствор лечение + Старение (Strengthening Treatment)
This is the most widely used process for high-strength applications, especially for Al-Si and Al-Mg-Si alloys. It follows a linear, three-step workflow:
| Шаг | Process Details | Цель |
| Раствор лечение | Нагревать до 500–540°C (А356: 530–540°C; ADC12: 500–520°C), держаться за 4–8 часов. | Fully dissolve reinforcing elements (Мг, И) into the aluminum matrix, forming a supersaturated solid solution; dissolve coarse eutectic silicon. |
| Гашение | Rapidly transfer the workpiece to a quenching medium (warm water/oil <100° C.) в пределах 10 секунды of removing from the furnace. | Lock the high-temperature metastable structure, inhibiting precipitation of harmful phases. |
| Aging Treatment | Two options: – Natural Aging: Store at room temperature for 7–14 дней (постепенное выпадение осадков). – Искусственное старение: Нагревать до 150–200 ° C., держаться за 4–10 часов (Быстрее, более равномерные осадки). | Осаждают мелкие армирующие фазы (НАПРИМЕР., Мг₂си) для достижения целевой силы: Искусственное старение достигает максимальной прочности в 5–10 раз быстрее, чем естественное старение.. |
- Прирост производительности: Лечение Т6 (решение + пик искусственного старения) увеличивает удлинение сплавов Al-Si на 10–15%, одновременно удваивая прочность на разрыв, что критически важно для автомобильных головок цилиндров, требующих как прочности, так и пластичности..
2.3 Stabilizing Tempering
- Применимые сценарии: Прецизионные детали, требующие долгосрочной стабильности размеров (НАПРИМЕР., Корпуса гидравлических клапанов для аэрокосмической отрасли, engine cylinder heads).
- Параметры процесса: Нагревать до 150–200 ° C., держаться за 2–4 часа, Тогда воздух прохладно.
- Technical Advantage: Does not compromise previously achieved strength (НАПРИМЕР., T6 state hardness remains within ±2 HB after treatment) while eliminating residual stress from machining—preventing micro-deformation during years of service.
3. Ключевые влиятельные факторы: Control for Consistent Results
The effectiveness of cast aluminum heat treatment depends on four interrelated factors. Below is a 对比式 analysis of their impacts and control measures:
| Influencing Factor | Impact of Poor Control | Optimal Control Measures |
| Сплав сплав | Al-Mg alloys (5XX series) overheat easily (soften at >300° C.); Al-Si alloys (А356) require higher solution temperatures to dissolve silicon. | – Confirm alloy grade via spectral analysis before treatment. – Use grade-specific process windows: А356 (решение: 530–540°C); 5052 (решение: 470–490°C). |
| Heating Temperature & Время | – Temperature deviation ±10°C changes precipitation kinetics: Слишком низко (underdissolution, сила <80% of target); Слишком высоко (overburning, grain boundary melting). – Insufficient holding time (incomplete element dissolution); excessive time (grain coarsening, plasticity drop). | – Calibrate furnace temperature uniformity to ±5°C using thermocouples. – Adjust holding time by part thickness: Добавлять 1 hour for every 5 mm increase in thickness. |
| Cooling Rate | Quenching delay >10 seconds triggers natural aging, reducing peak strength by 15–25%. Медленное охлаждение (air cooling instead of water quenching) fails to lock the metastable structure. | – Use specialized fixtures for fast transfer (≤5 seconds from furnace to quenchant). – Для сложных частей, use graded quenching (salt bath first, then air cooling) to balance cooling rate and deformation risk. |
| Original Cast State | Sand-cast parts have high porosity (traps gas during heating, causing surface bubbles); high-pressure die-cast parts (dense structure) respond better to heat treatment. | – For sand-cast parts, pre-treat with vacuum degassing to reduce porosity. – Adjust process parameters: Extend solution time by 20–30% for sand-cast parts to ensure element dissolution. |
4. Common Problems & Targeted Solutions
Даже при точном контроле, issues may arise. Use this 因果链 structure to diagnose and resolve key problems:
| Common Problem | Первопричина | Решение |
| Insufficient Aging Strength | Aging temperature too low (<140° C.) or time too short (<4 часы) → reinforcing phases not fully precipitated. | – Verify furnace temperature with a calibrated thermocouple; adjust to 160–180°C for Al-Si alloys. – Extend holding time by 2–3 hours (НАПРИМЕР., от 4 к 6 hours for T6 treatment) and retest mechanical properties. |
| Overburned Microstructure | Solution temperature too high (>550° C.) or holding time >8 hours → grain boundaries melt, forming local melting marks. | – Conduct metallographic testing to confirm overburning (visible grain boundary cracks). – Reformulate the process curve: Lower solution temperature by 10–20°C and reduce holding time by 1–2 hours. |
| Surface Bubble Bulging | Quenching medium temperature >100°C → violent vaporization of surface moisture, Создание пузырьков. | – Cool quenching water/oil to 60–80°C before use. – Replace direct water quenching with graded quenching (200°C salt bath for 5 минуты, then air cooling) for thin-walled parts. |
| Dimensional Expansion | Insufficient machining allowance → heat treatment-induced expansion exceeds tolerance. | – Increase roughing allowance by ≥1.5 mm (НАПРИМЕР., от 0.8 мм до 2.3 mm for precision parts). – Use graded aging (120° C для 2 hours → 180°C for 4 часы) to minimize expansion. |
5. Typical Application Scenarios: Разбивка по отраслям
The heat treatment of cast aluminum alloys is tailored to industry-specific needs. The table below highlights key applications and their process choices:
| Промышленность | Ключевые компоненты | Процесс термообработки | Обоснование |
| Автомобиль | Головки цилиндров, нефтяные кастрюли, Подвесные кронштейны | T6 (решение + peak aging) | Achieves high tensile strength (>300 МПА) и устойчивость к усталости, withstanding engine vibrations and road loads. |
| Аэрокосмическая | Hydraulic valve bodies, Самолетные кронштейны | T7 (решение + overaging) | Delivers ultimate creep resistance (maintains strength at 150–200°C), critical for long-term aerospace service. |
| Электроника | Радиаторы, Рамки смартфонов | T5 (решение + natural aging) | Balances thermal conductivity (200–220 W/(м · к)) and moderate strength (180–220 МПа), avoiding thermal damage to electronics. |
| General Machinery | Насосные корпусы, bearing blocks | Снятие стресса отжиг + T6 | Eliminates machining stress and boosts strength, обеспечение стабильности размеров для длительной эксплуатации в суровых условиях. |
Перспектива Yigu Technology
В Yigu Technology, мы рассматриваем термическую обработку литых алюминиевых сплавов как мост между литьем и высокопроизводительными применениями.. Для автомобильных клиентов, мы оптимизируем процессы T6 для головок цилиндров A356, используя температуру раствора 535°C., 6-час выдержки, и старение при 170°C для достижения 320 предел прочности МПа и <0.1% отклонение размеров. Для радиаторов электроники, наш процесс Т5 (естественное старение для 10 дни) поддерживает 210 ж/(м · к) теплопроводность при обеспечении плоскостности рамы. Мы также используем моделирование методом конечных элементов для прогнозирования термического напряжения для сложных деталей., уменьшение закалочной деформации за счет 35%. В конечном счете, этот процесс заключается не только в обработке металла, но и в технических свойствах, соответствующих самым строгим отраслевым стандартам..
Часто задаваемые вопросы
- Могут ли все литые алюминиевые сплавы подвергаться термообработке для упрочнения??
Нет — только сплавы с термообрабатываемыми элементами. (Мг, И, Кузок) реагировать на усиливающее лечение. Например:
- Теплопроводимый: Аль-Да (А356), Аль-МГ-СИ (6061) сплавы (образуют армирующие фазы за счет старения раствора).
- Не подвергается термической обработке: Чистый алюминий (1ХХХ серия), Аль-Мн (3ХХХ серия) сплавы (only softening or stress relief annealing is effective).
- How long does T6 heat treatment take for a typical cast aluminum part?
Total cycle time ranges from 12–20 часов:
- Раствор лечение: 4–8 часов (НАПРИМЕР., 6 часы для 10 mm thick A356 parts).
- Гашение: <1 час (including transfer and cooling).
- Aging treatment: 4–10 часов (НАПРИМЕР., 6 hours at 170°C for peak strength).
- What happens if a heat-treated cast aluminum part needs welding repair?
Welding destroys the heat-treated microstructure (melts reinforcing phases). The solution is to:
Complete all welding repairs first.
Re-run the full heat treatment cycle (solution → quenching → aging)— не только старение. Это восстанавливает равномерное распределение армирующей фазы и обеспечивает соответствие прочности требованиям..