鋁合金時(shí)效工藝

1、、時(shí)效方法鋁合金和鋼鐵不同，淬火以后的變形鋁合金不能立即強(qiáng)化。它得到的是一種過飽和固溶體組織。這種過飽和固溶體不穩(wěn)定，它有自發(fā)分解的趨勢。在一定的溫度下，保持一定的時(shí)間，過飽和固溶體發(fā)生分解（稱為脫溶），引起鋁合金強(qiáng)度和硬度大幅度提高，這種熱處理過程稱之為時(shí)效。在室溫下自然停放一定的時(shí)間，鋁合金強(qiáng)度及硬度提高的方法稱為自然時(shí)效。入為的將鋁合金制品在高于室溫下的某一溫度，保溫一定的時(shí)間，以提高鋁合金強(qiáng)度及硬度的方法稱入工時(shí)效。對于Al-Mg-Si系的6063合金而言，自然時(shí)效進(jìn)行得非常緩慢，在室溫下停留半個(gè)月，甚至更長的時(shí)間，也達(dá)不到最佳的強(qiáng)化效果，比入工時(shí)效的強(qiáng)化效果要差30%-50%所以一般

2、都采用入工時(shí)效。含有主要強(qiáng)化相MgSi、MgZ而AlzMgZns的合金、都只有進(jìn)行入工時(shí)效才能獲得最高的強(qiáng)度。含有主要強(qiáng)化相CuAl2和S（A%CuMg）等相的合金，采用自然時(shí)效和入工時(shí)效兩種方法都可以。如2A11和2A12合金采用自然時(shí)效和入工時(shí)效都可以獲得最佳強(qiáng)化效果。究竟采用哪種時(shí)效方法，這需要根據(jù)合金的本性和用途來決定。一般在高溫下工作的變形鋁合金多采用入工時(shí)效，而在室溫下工作的變形鋁合金宜采用自然時(shí)效。、時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化理論，有很多種說法。如彌散硬化理論、滑移干擾理論、溶質(zhì)原子富集成強(qiáng)化或硬化區(qū)理論等。目前普遍認(rèn)為時(shí)效強(qiáng)化或硬化是原子富集形成強(qiáng)化區(qū)的結(jié)果。經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，

3、用X射線方法對鋁合金過飽和固溶體分解動(dòng)力學(xué)研究和通過電子顯微鏡對薄膜透射觀察，看到中間過渡析出階段（硬化區(qū)）的數(shù)量、大小、形狀和分布特點(diǎn)，描繪了硬化區(qū)的形象，揭示了鋁合金時(shí)效硬化現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)。但時(shí)效硬化是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，與合金的成分、時(shí)效工藝、生產(chǎn)過程中的加工狀態(tài)都有關(guān)系，目前對時(shí)效的認(rèn)識(shí)還不十分徹底。下面僅介紹硬化區(qū)理論。鋁合金在淬火加熱、快速冷卻時(shí)，形成過飽和固液體。過飽和固溶體有從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。而在過飽和固溶體快速冷卻過程中，合金中的大量空位也被“固定”在晶體中，這些空位的存在加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，促使溶質(zhì)原子的富集。這些溶質(zhì)原子富集區(qū)，開始形成時(shí)是無序的，這

4、種無序的富集區(qū)稱GPI分區(qū)。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長，這些富集起來的溶質(zhì)原子，逐漸有次序的排列起來，這種有序的富集區(qū)稱之GPI區(qū)。GP區(qū)的大小、數(shù)量決定于淬火溫度和冷卻速度。淬火加熱溫度越高，空位濃度越大，GP區(qū)的數(shù)量增加，GP區(qū)的尺寸減小。冷卻速度越大，固溶體內(nèi)的固定的空位越多，有利于增加GP區(qū)的數(shù)量，減小GP區(qū)的尺寸。當(dāng)時(shí)效溫度繼續(xù)升高，或時(shí)間延長時(shí)，那些大于臨界尺寸的GPQ區(qū)發(fā)生長大，形成過渡相8'（或B'）,8'相的化學(xué)成分與穩(wěn)定相8（CuA12）相同，與母體保持有共格關(guān)系，有效阻礙了金屬晶體的變形，因而大大提高了金屬的強(qiáng)度。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高或時(shí)間進(jìn)一步延長時(shí)

5、，過渡相8'（或B'）變成了8（CuA12）相，這時(shí)的9相完全脫離了母相，并有自己獨(dú)立的品格。這時(shí)合金的強(qiáng)度已超過最大值，開始下降，稱為過時(shí)效?？傊辖鸬臅r(shí)效過程是過飽和固溶體的分解脫溶過程，具有一定的順序：先形成GPI區(qū)，GP區(qū)的有序化形成GPtI區(qū)，形成過渡相8'（或B'）,最后形成平衡相。脫溶時(shí)為什么不直接形成平衡相？這是由于平衡相一般與基體形成新的非共格界面，界面能大，而亞穩(wěn)定的脫溶產(chǎn)物9'相與基體完全或部分共格，界面能小。相變初期新相的比表面大，因而界面能起決定作用。界面能小的相，形功小，容易形成。所以首先形成形核功最小的過渡相，再演變成平衡穩(wěn)

6、定相。不同合金系脫溶序歹J不一定相同。如AlCu系合金可能出現(xiàn)兩種過渡相礦8及8'而大部分合金只存在一種過渡亞穩(wěn)定相，表355為幾種合金系的脫溶序列。表3-5-5主要鋁合金系的脫溶序列合金系脫溶序列及平衡脫溶相A1CuA1AgA1ZnMgAl一MGSiA1CuMgGP區(qū)(盤狀)-8"-8'9(CuAl2)GP區(qū)(球狀)-YfY(AlAg2)GP區(qū)(球狀)(MgZn2)T'fT(A1zMgZn3)GP區(qū)(桿狀)-p-P(MG2Si)GP區(qū)(桿或球狀)-S'fS(AlzCuMg)圖3-5-6表明AlCu合金在130c時(shí)效硬度和結(jié)構(gòu)的變化情況。由圖可知：時(shí)效

7、各階段順序并不是截然分開的，而是在前一階段尚未結(jié)束時(shí)，后一階段則已經(jīng)開始。同時(shí)也可以看出時(shí)效硬化的主要結(jié)構(gòu)是GPI區(qū)和GRI區(qū)，時(shí)效硬度最高峰在GPtI區(qū)末期和過濾相9'的初期。當(dāng)大量出現(xiàn)平衡相9時(shí)，軟化明顯，說明過時(shí)效發(fā)生。q«,三'百=工，i或iki.t-GPI區(qū)-GP11區(qū)140120100X040o(nrororoo時(shí)效時(shí)間/天圖3-5-6A1Cu合金在130c時(shí)效硬度及結(jié)構(gòu)變化圖、6063合金的入工時(shí)效工藝6063合金的時(shí)效工藝比較成熟，一般選擇加熱保溫溫度為170220C,保溫l8h。時(shí)效溫度低則保溫時(shí)間長，選擇較高的時(shí)效溫度，則保溫時(shí)間相應(yīng)縮短。對于不同

8、企業(yè)來說，時(shí)效爐的加熱方式、爐子的形狀、大小、溫差各不相同。因此選擇最佳的時(shí)效工藝，最好通過實(shí)驗(yàn)來確定。例如切取一批6063合金擠壓制品的時(shí)效試樣，按溫度不同分成若干組，在每一個(gè)溫度下，又分為不同的保溫時(shí)間，進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)。然后將試樣分別測定抗拉強(qiáng)度，不同溫度、不同保溫時(shí)間測得的抗拉強(qiáng)度值列于表3-5-6中。最后將表中數(shù)據(jù)繪成時(shí)效硬化曲線。如圖357所不由圖可知：時(shí)效溫度為180c時(shí)，達(dá)到6063合金國家標(biāo)準(zhǔn)的抗拉強(qiáng)度的保溫時(shí)間要4h以上；時(shí)效溫度為190c時(shí)，則需要2.5h以上；時(shí)效溫度為200c時(shí)，則只需要1h就可以了。目前各個(gè)企業(yè)多數(shù)采用下面三個(gè)不同的時(shí)效工藝：1) 時(shí)效溫度180

9、7;5C,保溫48h;2) 時(shí)效溫度190±5,保溫36h;3) 時(shí)效溫度200±5C,保溫1.53h。保溫時(shí)間的選擇應(yīng)根據(jù)鋁型材的壁厚和裝料的緊密程度來決定。一般壁厚1.2mm以下時(shí)取下限保溫時(shí)間，壁厚在5.0mm以上取上限保溫時(shí)間。在其中間的壁厚選擇上、下限保溫時(shí)間的適當(dāng)時(shí)間。如裝爐量少，裝料稀疏可以選偏下限的保溫時(shí)間；裝爐量多，且擺放致密應(yīng)選偏上限的保溫時(shí)間。從表356和圖357可知：時(shí)效溫度相差10C,同一保溫時(shí)間下制品的強(qiáng)度相差較大，說明鋁合金的時(shí)效效果對溫度十分敏感，為保證制品性能的均勻性和穩(wěn)定性，對時(shí)效爐的溫差要求較嚴(yán)。一般應(yīng)在土5c的范圍內(nèi)，最好能控制在&#

10、177;3C。表356不同溫度、不同保溫時(shí)間試樣的強(qiáng)度值/MPa任度/C時(shí)間/h11.52.O2.53.04.05.06.O7.08.016014414715015215415615916517014514815015315615816016316818014615115315615916216717117817919015015516116416716917217818017920016016517117817817717617321016316817417817717501L5202,5345678時(shí)間/h圖357時(shí)效硬化曲線四、其他工業(yè)鋁型材的時(shí)效工藝其他工業(yè)鋁材的擠壓鋁合金有一部分是可

11、以自然時(shí)效的。根據(jù)不同合金的特點(diǎn)，自然時(shí)效的時(shí)間長短不同。一般自然時(shí)效的合金，淬火后在室溫放置四晝夜均可以達(dá)到最大的力學(xué)性能，自然時(shí)效效果最明顯是在24h之內(nèi)，通常在48h之內(nèi)可以基本完成時(shí)效強(qiáng)化過程。圖3-5-8和網(wǎng)3-5-9可以看出自然時(shí)效時(shí)間對力學(xué)性能的影響。淬火加熱溫度：刖0。淬火保盤時(shí)間:如Ein圖3582A11合金機(jī)4mm棒材自然時(shí)效保溫時(shí)間對力學(xué)性能的影響600350E1MO0244872192肘效時(shí)間外群火加熱溫度；500匕,保溫時(shí)冏：40min圖3592A12合金615mm|$材自然時(shí)效保溫時(shí)間對力學(xué)性能的影響需要人工時(shí)效的合金，淬火后為防止“停放效應(yīng)”引起時(shí)效后力學(xué)性能降低

12、的現(xiàn)象，應(yīng)盡快將擠壓淬火制品進(jìn)行人工時(shí)效。一般在室溫下停放時(shí)間不應(yīng)超過24h0人工時(shí)效工藝最好按上節(jié)所介紹的方法，通過試驗(yàn)來確定人工時(shí)效工藝。其他工業(yè)鋁合金的人工時(shí)效工藝可參考表357。表3-5-7變形鋁合金人工時(shí)效工藝合金時(shí)效溫度/c保溫時(shí)間/h合金時(shí)效溫度/c保溫時(shí)間/h7A10120+5126070165+547A09135+5-2122A02,2A161654-5167A04138+5162A80170+587A15145+5202014171+582A50,2B50150+546351180+582A14150+5612（厚壁材）2A17185+5166A02155+582A7018

13、5+587A12一級95+55（第一階段）6101200+562級155+58（第二階段）4A11160+582A16210+562A90165+586061,6063180+55200+5l對于可以進(jìn)行自然時(shí)效或者人工時(shí)效的鋁合金，采用哪種方法時(shí)效應(yīng)根據(jù)其使用要求而定。一般來說采用自然時(shí)效的鋁合金，屈服強(qiáng)度稍低，而耐蝕性能較好；采用人工時(shí)效的鋁合金，其屈服強(qiáng)度較高，而伸長率和耐腐蝕性能降低。但對AlZnMg-Cu系合金，如7A04合金則相反，采用人工時(shí)效時(shí)，合金的耐腐蝕性能反而較自然時(shí)效的好些。五、影晌時(shí)效效果的因素1 .合金的化學(xué)成分影響時(shí)效強(qiáng)化效果取決于合金組元能否溶于固溶體以及固溶體隨

14、溫度變化產(chǎn)生脫溶相的性質(zhì)和脫溶程度。如鈕、硅在鋁中的固溶度較小，且隨溫度變化不大，鎂、鋅雖然在鋁基中有較大的固溶度，但它們與鋁形的化合物的結(jié)構(gòu)與鋁基體的差異較小，強(qiáng)化效果甚微。所以AlMnAl-Si,AlMgAlZn系合金通常都不采用時(shí)效強(qiáng)化處理。而Al-Cu,Al-Mg-Si和AlCu-Mg-Si系合金中的(CuA12)相、MgSi相、S(AlzCuMg)目在高溫下能溶于固溶體中，溶解度隨溫度而變化，因而可以通過淬火、時(shí)效提高合金的強(qiáng)度。對于以8(CuA12)相、MgSi相和S(A%CuMg)目為強(qiáng)化相的合金而言，隨著CuAb,MgSi和Al,CuMg!勺含量增加，時(shí)效強(qiáng)化效果逐漸增加。2

15、.時(shí)效溫度的影響從圖357可知，不同時(shí)效溫度獲得最大強(qiáng)度值的保溫時(shí)間不同或在同一保溫時(shí)間下的強(qiáng)度值不同。這是因?yàn)樵诓煌瑴囟葧r(shí)效，析出相的臨界晶核大小、數(shù)量、成分以及富集區(qū)長大速度不同。如溫度太低、擴(kuò)散困難，GP區(qū)不易形成或數(shù)量很少，因而時(shí)效后的強(qiáng)度低，而時(shí)效溫度過高時(shí)，擴(kuò)散容易產(chǎn)生，過飽和固溶體析出相粗大，使強(qiáng)度降低，即產(chǎn)生過時(shí)效現(xiàn)象。因此每種合金都有在某一保溫時(shí)間內(nèi)最佳的時(shí)效溫度。不同的時(shí)效溫度對時(shí)效效果的影響不相同。應(yīng)當(dāng)指出，一定的時(shí)效溫度必須與一定的時(shí)效時(shí)間相結(jié)合，才能獲得滿意的強(qiáng)化效果。時(shí)效時(shí)間太短，將使合金時(shí)效不充分，降低強(qiáng)化效果。時(shí)效時(shí)間太長，將會(huì)產(chǎn)生過時(shí)效，同樣降低強(qiáng)化效果，特別

16、是時(shí)效溫度較高時(shí)，這種影響更為明顯。3 .淬火到人工時(shí)效中間停放時(shí)間的影響從淬火到人工時(shí)效中間停放時(shí)間，是指擠壓制品經(jīng)風(fēng)冷或水冷到人工時(shí)效開始之間的時(shí)間，或擠壓制品從淬火爐出來進(jìn)行淬火后到人工時(shí)效開始之間的時(shí)問。不同合金的中間停放時(shí)間，都會(huì)不同程度地影響時(shí)效后的強(qiáng)化效果，這種現(xiàn)象稱為“停放效應(yīng)”。對于Al-Mg-Si系合金而言，中間停放時(shí)間，根據(jù)其化學(xué)成分的不同，可以使合金的力學(xué)性能降低，也可以使合金的力學(xué)性能提高。如圖3510所示，當(dāng)形成的MgSi含量在1.0%以下時(shí)，中間停放時(shí)間將引起人工時(shí)效后強(qiáng)度增加，MgSi含量高于1%時(shí)，將引起人工時(shí)效后強(qiáng)度降低。6063合金的Mg：Si含量一般在0

17、.8%1.1%之間，因此室溫停放時(shí)間對人工時(shí)效后的強(qiáng)度影響不大，甚至還稍有提高。對于6061合金和硬鋁、超硬鋁合金如7A04,7075等合金，中間停放時(shí)間會(huì)使人工時(shí)效后的強(qiáng)度降低。實(shí)驗(yàn)證明在430h的范圍內(nèi)影響最大。因此這類合金最好在淬火后立即進(jìn)行人工時(shí)效。規(guī)定中間停放時(shí)間應(yīng)在4h之內(nèi)。有人對6A02合金的中間停放時(shí)間進(jìn)行研究、對型材抗拉強(qiáng)度的影響如圖3511所小。由圖可知：1）停放時(shí)間很短（1h以內(nèi)），由于在停放時(shí)間內(nèi)自然時(shí)效產(chǎn)生的小尺寸GP區(qū)，在人工時(shí)效溫度下不穩(wěn)定而重新溶于固溶體，形核率降低，人工時(shí)效后的型材組織內(nèi)存在粗大過渡相，因而使型材抗拉強(qiáng)度不高。2）當(dāng)停放時(shí)間在23h之內(nèi)，可獲得

18、最佳的時(shí)效效果。因?yàn)榇藭r(shí)獲得了尺寸適當(dāng)?shù)腉P區(qū)，它在人工時(shí)效開始時(shí)穩(wěn)定，形核率高。人工時(shí)效時(shí)，Mg和Si的原子繼續(xù)向硅偏聚團(tuán)上遷移，大量的穩(wěn)定晶核繼續(xù)成長，形成彌散的MgSi強(qiáng)化相，同時(shí)CuAl2相也參加時(shí)效，型材性能達(dá)到峰值。3）如果停放時(shí)間過長，合金內(nèi)產(chǎn)生大量的大尺寸偏聚團(tuán)，使固溶體內(nèi)溶質(zhì)原子濃度降低，人工時(shí)效過程中，大于臨界尺寸的GP區(qū)重新溶于固溶體而大量共格析出產(chǎn)物粗大，形成了較大的MgSi相粒子，使型材性能降低。A1020.40.60.8L01.2L4w(Siy%圖3-5-11停放時(shí)間對型材抗拉強(qiáng)度影響圖24h引起抗拉強(qiáng)度的變化I578910停故對離此400圖3510A1-Mg-Si

19、合金淬火后存放六、分級時(shí)效與形變時(shí)效1.分級時(shí)效近年來隨著工業(yè)鋁材的應(yīng)用Et益廣泛，20世紀(jì)70年代研究開發(fā)的一種新的時(shí)效方法，分級時(shí)效已越來越多被采用。分級時(shí)效又稱階段時(shí)效。它是把淬火后的制品放在不同溫度下進(jìn)行兩次以上加熱保溫的一種時(shí)效方法。在分級時(shí)效時(shí)，一般都是第一階段采用較低的溫度，促使過飽和固溶體內(nèi)形成大量彌散的GP區(qū)作為向中間相過渡的核心，隨著GP區(qū)密度的增加，也等于加大了中間相的彌散度。第二階段采用較高的溫度時(shí)效，促使在較低溫度下形成的GP區(qū)繼續(xù)長大，得到密度較大的中間相，引起制品充分強(qiáng)化。分級時(shí)效與單級時(shí)效相比，可以縮短時(shí)效時(shí)間，并且可以改善超硬鋁合金Al-Zn-MgffiAlZnMg-Cu系合金的顯微結(jié)構(gòu)，可以保持力學(xué)性能不變的情況下，顯著提高合金的耐應(yīng)力腐蝕能力、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度。分級時(shí)效工藝一般都是第一階段溫度較低，要保證形成GP區(qū)在短時(shí)間內(nèi)完成。第二階段的時(shí)效溫度較高，促使GP區(qū)向中間相轉(zhuǎn)變，以獲得較高的強(qiáng)度和其他良好的性能。幾種超硬鋁合金的分級時(shí)效工藝見表358。表3-5-8幾種鋁合金的分級時(shí)效工藝合