鋁及鋁合金的熱處理

發(fā)表時(shí)間：2025-04-15 20:11

退火及淬火時(shí)效是鋁合金的基本熱處理形式。退火是一種軟化處理。其目的是使合金在成分及組織上趨于均勻和穩(wěn)定,消除加工硬化,恢復(fù)合金的塑性。淬火時(shí)效則屬?gòu)?qiáng)化熱處理,目的是提高合金的強(qiáng)度,主要應(yīng)用于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。

第一節(jié) 退火

根據(jù)生產(chǎn)需求的不同,鋁合金退火分鑄錠均勻化退火、坯料退火、中間退火及成品退火幾種形式。

一、鑄錠均勻化退火

鑄錠在快速冷凝及非平衡結(jié)晶條件,必然存在成分及組織上的不均勻,同時(shí)也存在很大的內(nèi)應(yīng)力。為了改變這種狀況,提高鑄錠的熱加工工藝性,一般需進(jìn)行均勻化退火。

為促使原子擴(kuò)散,均勻化退火應(yīng)選擇較高的退火溫度,但不得超過(guò)合金中低熔點(diǎn)共晶熔點(diǎn),一般均勻化退火溫度低于該熔點(diǎn)5~40℃,退火時(shí)間多在12~24h之間。

二、坯料退火

坯料退火是指壓力加工過(guò)程中第一次冷變形前的退火。目的是為了使坯料得到平衡組織和具有最大的塑性變形能力。例如,鋁合金熱軋板坯的軋制終了溫度為280~330℃,在室溫快速冷卻后,加工硬化現(xiàn)象不能完全消除。特別是熱處理強(qiáng)化的鋁合金,在快冷后,再結(jié)晶過(guò)程未能結(jié)束,過(guò)飽和固溶體也未及徹底分解,仍保留一部分加工硬化和淬火效應(yīng)。不經(jīng)退火直接進(jìn)行冷軋是有困難的,因此需進(jìn)行坯料退火。對(duì)于非熱處理強(qiáng)化的鋁合金,如LF3,退火溫度為370~470℃,保溫1.5~2.5H后空冷,用于冷拉伸管加工的坯料、退火溫度應(yīng)適當(dāng)高一些,可選上限溫度。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金,如LY11及LY12,坯料退火溫度為390~450℃,保溫1~3H,隨后在爐中以不大于30℃/h的速度冷卻到270℃以下再出爐空冷。

三、中間退火

中間退火是指冷變形工序之間的退火,其目的是為了消除加工硬化,以利于繼續(xù)冷加工變形。一般來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)坯料退火后的材料,在承受45~85%的冷變形后,如不進(jìn)行中間退火而繼續(xù)冷加工將會(huì)發(fā)生困難。

中間退火的工藝制度基本上與坯料退火相同。根據(jù)對(duì)冷變形程度的要求,中間退火可分為完全退火(總變形量ε≈60~70%),簡(jiǎn)單退火(ε≤50%)和輕微退火(ε≈30~40%)三種。前兩種退火制度與坯料退火一樣,后一種為320~350℃加熱1.5~2h后空冷。

四、成品退火

成品退火是根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件的要求,給予材料—定的組織和機(jī)制性能的最終熱處理。

成品退火可分為高溫退火(生產(chǎn)軟制品)和低溫退火(生產(chǎn)不同狀態(tài)的半硬制品)兩種。高溫退火應(yīng)保證能獲得完全再結(jié)晶組織和良好的塑性。在保證材料獲得良好的組織及性能條件下,保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金,為防止產(chǎn)生空冷淬火效應(yīng),應(yīng)嚴(yán)格控制其冷卻速度。

低溫退火包括消除內(nèi)應(yīng)力退火和部分軟化退火兩種,主要用于純鋁和非熱處理強(qiáng)化鋁合金。制定低溫退火制度是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作,不僅要考慮退火溫度和保溫時(shí)間,而且要考慮雜質(zhì)、合金化程度、冷變形量、中間退火溫度和熱變形溫度的影響。制定低溫退火制度必須是測(cè)出退火溫度與機(jī)械性能間的變化曲線,然后再根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定的性能指標(biāo),確定退火溫度范圍。

第二節(jié) 淬火

鋁合金的淬火也稱固溶處理,即通過(guò)高溫加熱,使金屬中以第二相形式存在的合金元素盡可能多的溶入固溶體,隨后快速冷卻,以抑制第二相的析出,從而獲得一種過(guò)飽和的以鋁為基的α固溶體,為下一步時(shí)效處理做好組織上的準(zhǔn)備。

獲取過(guò)飽和α固溶體的前提是合金中的第二相在鋁中的溶解度應(yīng)隨溫度的增加而明顯提高,否則,就達(dá)不到固溶處理的目的。鋁中絕大多數(shù)合金元素能夠構(gòu)成具有這一特點(diǎn)的共晶型相圖。以Al-Cu合金為例,共晶溫度為548℃,銅在鋁中的室溫溶解度不足0.1%,加熱到548℃,其溶解度則提高到5.6%,因此,含銅在5.6%, 以下的Al-Cu合金,加熱溫度超過(guò)其固溶線以后,進(jìn)入α單相區(qū),即第二相CuAl2全部溶入基體,淬火后就可獲得單一的過(guò)飽和α固溶體。

淬火是鋁合金的最重要和要求最嚴(yán)格的熱處理操作,其中關(guān)鍵的是選擇恰當(dāng)?shù)拇慊鸺訜釡囟群捅ＷC足夠的淬火冷卻速度,并能嚴(yán)格控制爐溫和減少淬火變形。

淬火溫度的選定原則是在確保鋁合金不發(fā)生過(guò)燒或晶粒過(guò)分長(zhǎng)大的情況下盡可能的提高淬火加熱溫度,以增加α固溶體的過(guò)飽和度及時(shí)效處理后的強(qiáng)度。一般鋁合金加熱爐要求爐溫控制精度在±3℃以內(nèi),同時(shí)爐內(nèi)空氣是強(qiáng)制循環(huán)的,以保證爐溫的均勻性。

鋁合金的過(guò)燒是由于金屬內(nèi)部低熔點(diǎn)組成物,如二元或多元共晶體發(fā)生局部熔化造成的。過(guò)燒不僅造成機(jī)械性能的降低,同時(shí)對(duì)合金的抗蝕性也有嚴(yán)重影響。因此,鋁合金一旦發(fā)生過(guò)燒,將無(wú)法消除,合金制品應(yīng)給予報(bào)廢。鋁合金的實(shí)際過(guò)燒溫度主要決定于合金成分、雜質(zhì)含量,同時(shí)與合金加工狀態(tài)也有關(guān)系,經(jīng)過(guò)塑性變形加工的制品其過(guò)燒溫度高于鑄件,變形加工量愈大,非平衡低熔點(diǎn)組成物在加熱時(shí)愈容易溶入基體,故實(shí)際過(guò)燒溫度升高。

鋁合金淬火時(shí)的冷卻速度對(duì)合金的時(shí)效強(qiáng)化能力及抗蝕性有重大影響,LY12和LC4淬火過(guò)程中必須確保α固溶體不發(fā)生分解,特別在290~420℃的溫度敏感區(qū),要有足夠大的冷卻速度。通常規(guī)定冷卻速度應(yīng)在50℃/s以上,而LC4合金,則應(yīng)達(dá)到或超過(guò)170℃/s。

鋁合金最常用的淬火介質(zhì)是水。生產(chǎn)實(shí)踐表明,淬火時(shí)的冷卻速度愈大,淬火材料或工件的殘余應(yīng)力和殘余變形也愈大。因此,對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的小型工件,水溫可稍低,一般為10~30℃,不應(yīng)超過(guò)40℃。對(duì)于形狀復(fù)雜、壁厚差別較大的工件,為減少淬火變形及開(kāi)裂,有時(shí)水溫可提高到80℃。但必須指出,隨著淬火槽水溫的升高,一般說(shuō)來(lái),材料的強(qiáng)度和耐蝕性也相應(yīng)降低

第三節(jié) 時(shí)效

一、時(shí)效過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變與性能變化

通過(guò)淬火獲得的過(guò)飽和α固溶體是一種不穩(wěn)定組織,加熱將發(fā)生分解而轉(zhuǎn)化為平衡組織。以Al-4Cu合金為例,其平衡組織應(yīng)為α+CuAl2(θ相)。淬火后的單相過(guò)飽和α固溶體,在時(shí)效加熱時(shí),如溫度足夠高,則直接析出θ相,否則,將分階段進(jìn)行,即經(jīng)過(guò)某些中間過(guò)渡階段才能達(dá)到最終平衡相CuAl2圖4-1-4說(shuō)明了Al-Cu合金時(shí)效過(guò)程中各個(gè)析出階段的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。圖a是淬火狀態(tài)的晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)此時(shí)為單相α過(guò)飽和固溶體,銅原子(黑色圓點(diǎn))均勻隨機(jī)地分布在鋁(白色圓點(diǎn))基體點(diǎn)陣中。圖 b表示析出初期的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),銅原子在基體點(diǎn)陣的某些區(qū)域開(kāi)始集中,形成一種富銅區(qū),稱GP區(qū)。GP區(qū)尺寸極小,呈圓盤(pán)形,其直徑大約為5~10μm,厚0.4~0.6nm,GP區(qū)在基體中的數(shù)量極大,分布密度可達(dá)1017~1018cm-3。GP區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)仍與基體相同,均為面心立方,而且與基體保持共格界面。但因銅原子尺寸比鋁原子小,銅原子富集后將造成區(qū)域附近的晶體點(diǎn)陣收縮,即引起了點(diǎn)陣畸變。

圖 Al-Cu合金在時(shí)效過(guò)程中的晶體結(jié)構(gòu)變化示意圖

a. 淬火狀態(tài),為單相α固溶體,銅原子(黑圓點(diǎn))均勻分布;b. 時(shí)效初期,形成GP區(qū);c. 時(shí)效后期,形成半共格的過(guò)渡相;d. 高溫時(shí)效,析出非共格的平衡相

GP區(qū)是鋁合金時(shí)效過(guò)程中出現(xiàn)的第一個(gè)預(yù)沉淀產(chǎn)物,延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間,特別是提高時(shí)效溫度,還會(huì)相繼形成其他中間過(guò)渡相。Al-4Cu合金中,在GP區(qū)之后尚有θ”及θ'相,最后才達(dá)到平衡相CuAl2。θ”和θ'均為θ相的過(guò)渡相,晶體結(jié)構(gòu)均為正方點(diǎn)陣,但點(diǎn)陣常數(shù)不同。θ尺寸比GP區(qū)大,仍呈圓盤(pán)狀,直徑約15~40nm,厚度為0.8~2.0nm,與基體繼續(xù)維持共格界面,但點(diǎn)陣畸變程度更為強(qiáng)烈。由θ”過(guò)渡到θ'相時(shí),尺寸已增長(zhǎng)到20~600nm,厚10~15nm,而且共格界面也受到部分破壞,成半共格界面,見(jiàn)圖c。時(shí)效析出的最終產(chǎn)物為平衡相θ(CuAl2),此時(shí)共格界面完全破壞,成為非共格界面,見(jiàn)圖d。

根據(jù)以上情況,概括起來(lái),Al-Cu合金的時(shí)效析出順序是αs→α+GP區(qū)→α+θ”→ α+θ' →α+θ。時(shí)效組織處于何種階段,取決于合金成分及時(shí)效規(guī)范,同一狀態(tài)往往存在一種以上的時(shí)效產(chǎn)物,時(shí)效溫度愈高,愈接近平衡組織。

時(shí)效過(guò)程中從基體析出的GP區(qū)及過(guò)渡相,由于尺寸小,彌散度高,本身又不易變形,同時(shí)在基體中造成點(diǎn)陣畸變,形成應(yīng)力場(chǎng),這對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有明顯的阻礙作用,因此增加了合金的塑性變形抗力,提高于強(qiáng)度與硬度,這種時(shí)效硬化現(xiàn)象稱之為沉淀硬化。圖4-1-5以曲線形式說(shuō)明了Al-4Cu合金在淬火及時(shí)效處理過(guò)程中的硬度變化。圖中I階段,代表合金原始狀態(tài)的硬度。由于熱加工歷史不同,原始狀態(tài)的硬度會(huì)有差異,一般為HV=30~80。經(jīng)500℃加熱并淬火后(II階段),全部銅原子溶入基體,成為單相過(guò)飽和α固溶體,HV=60,這比退火狀態(tài)的硬度(HV=30)高出一倍,這是固溶強(qiáng)化的結(jié)果。淬火后在室溫下放置,因不斷形成GP區(qū)而使合金硬度連續(xù)提高(III階段),這種在室溫下的時(shí)效硬化過(guò)程稱自然時(shí)效。

I—原始狀態(tài);II—固溶狀態(tài);III—自然時(shí)效(GP區(qū));IVa—在150~200℃回歸處理(GP區(qū)重溶);IVb—人工時(shí)效(θ”+θ'相);V—過(guò)時(shí)效(θ”+θ'相)

IV階段是加熱到150℃進(jìn)行時(shí)效,硬化效應(yīng)比自然時(shí)效更為明顯,此時(shí)析出產(chǎn)物主要是θ”相,它在Al-Cu合金中強(qiáng)化效應(yīng)最大。若進(jìn)一步提高時(shí)效溫度,析出相由θ”相過(guò)渡到θ’相,硬化作用減弱,硬度下降,即進(jìn)入V階段。凡需進(jìn)行人工加熱的時(shí)效處理稱人工時(shí)效,IV和V階段就屬這種情況。若時(shí)效后硬度達(dá)到該合金能達(dá)到的最大硬度值(即IVb階段),這種時(shí)效稱峰值時(shí)效,未達(dá)到峰值硬度值則稱欠時(shí)效或不完全人工時(shí)效,越過(guò)峰值而進(jìn)入硬度下降階段則稱過(guò)時(shí)效。穩(wěn)定化時(shí)效處理也屬于過(guò)時(shí)效。自然時(shí)效中形成的GP區(qū)是很不穩(wěn)定的,在快速加熱到較高溫度,如200℃左右,作短時(shí)保溫,GP區(qū)將重新溶入α固溶體,若在其他過(guò)渡相如θ”或θ'尚未析出前就快速冷卻(淬火),可使合金恢復(fù)到原來(lái)的淬火狀態(tài),這種現(xiàn)象稱“回歸”,這就是圖4-1-5中IVa階段虛線表示的硬度下降部分。經(jīng)回歸處理的鋁合金,仍具有相同的時(shí)效硬化能力。

時(shí)效硬化是發(fā)展可熱處理強(qiáng)化鋁合金的基礎(chǔ),其時(shí)效硬化能力與合金成分及熱處理制度有直接關(guān)系。Al-Si及Al-Mn二元合金,因時(shí)效過(guò)程中直接析出平衡相,故無(wú)沉淀硬化作用,屬非熱處理強(qiáng)化鋁合金,Al-Mg系合金雖可形成GP區(qū)及過(guò)渡相β',但只有在高鎂合金中才有一定的沉淀硬化能力。Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si及Al-Zn-Mg-Cu系合金,其GP區(qū)及過(guò)渡相有較強(qiáng)的沉淀硬化能力,是目前的主要可熱處理強(qiáng)化的合金系。

二、自然時(shí)效

一般可熱處理強(qiáng)化的鋁合金淬火后均有自然時(shí)效效應(yīng),自然時(shí)效強(qiáng)化是GP區(qū)所造成的。Al-Cu及Al-Cu-Mg系合金廣泛采用自然時(shí)效。Al-Zn-Mg-Cu系合金自然時(shí)效延續(xù)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),往往需經(jīng)數(shù)月才能達(dá)到穩(wěn)定階段,故不選用自然時(shí)效制度。

和人工時(shí)效相比,自然時(shí)效后,合金的屈服強(qiáng)度較低,但塑性與韌性較好,耐蝕性較高。Al-Zn-Mg-Cu系的超硬鋁情況略有不同,人工時(shí)效后的耐蝕性往往優(yōu)于自然時(shí)效。

三、人工時(shí)效

鋁合金經(jīng)人工時(shí)效處理后往往可獲得最高的屈服強(qiáng)度(以過(guò)渡相強(qiáng)化為主)和較好的組織穩(wěn)定性,超硬鋁、鍛鋁及鑄鋁均以人工時(shí)效為主。時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間對(duì)合金性能有重要影響,時(shí)效溫度大多在120~190℃之間,時(shí)效時(shí)間不超過(guò)24h。

除單級(jí)人工時(shí)效外,鋁合金尚可采用分級(jí)人工時(shí)效制度。即在不同溫度進(jìn)行兩次或多次加熱。如LC4合金可在115~125℃先時(shí)效2~4h,再于160~170℃時(shí)效3~5h。分級(jí)時(shí)效不僅可以顯著縮短時(shí)間,且可改善Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系合金的顯微組織,在基本上不降低機(jī)械性能的條件下,明顯提高耐應(yīng)力腐蝕能力、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度。

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