鋁合金的熱處理1340602405陳仕博

金屬熱處理鋁合金及其熱處理陳仕博1340602405鋁及鋁合金概述（１）用量僅次于鋼，地殼中儲量第一；（２）鋁的性能：力學(xué)、電學(xué)；（３）鋁與航空工業(yè)；（４）人們一直在努力提高鋁合金的性能，例如日本的超級鋁項目，提高鋁合金的純度，使用變形熱處理和粉末冶金工藝提高鋁合金的性能，等等。鋁的電解生產(chǎn)技術(shù)鋁合金的消費(fèi)量是僅次于鋼鐵的金屬材料。門窗、鋁灌、汽車，等等。鋁代替合金鋼后，可減少Cu、Cr、Ni等元素的消耗。鋁生產(chǎn)的問題：耗能大，每噸鋁耗能是鋼的4.5倍；污染物排放大，如排放CO2是鋼的7-9倍。

加入NaF、Al2F6、LiF、CaF2、MgF2

調(diào)節(jié)電解質(zhì)溫度，降低900℃以下，每降100℃，節(jié)電1.5kw.h。電解槽超大型化發(fā)展陽極（石墨）陰極（石墨）熔鹽NaFAl2F6LiFCaF2MgF2

電解鋁示意圖CO2HFC鋁電解煙氣凈化

陽極消耗，生成CO2。電解槽中還經(jīng)常揮發(fā)出氣態(tài)氟化物（HF）。目前常用的凈化煙氣的方法：干法凈化，利用氧化鋁吸附氟化物。但干法凈化法無法吸收二氧化碳。鋁電解用新材料（1）惰性陰極材料傳統(tǒng)電解槽的問題：鋁液與炭塊潤濕性不好，不能有效接觸，影響電流效率。在電解過程中實(shí)際上是鋁液與炭塊一起構(gòu)成陰極。在電磁力的作用下，鋁液不斷波動，電能耗增加。另外，冰晶石和鋁液滲入炭塊，使之膨脹破壞?？蓾櫇穸栊躁帢O的優(yōu)點(diǎn)（1）新型槽的陰極上不需要厚的鋁液層，磁場的作用幾乎降到零，鋁液面保持平整；（2）極距大為降低；（3）極距降低減少電能消耗，極距降低1cm，可節(jié)電1000kWh/t(Al)；（4）延長電解槽的使用壽命。TiB2惰性陰極材料目前認(rèn)為，TIB2是唯一在鋁液中溶解度很小、導(dǎo)電率高、能被鋁液潤濕的材料?？蓾櫇耜帢O的優(yōu)點(diǎn)：極距降低1厘米，可節(jié)電1000kwh/t(Al)。硼化鈦涂層及硼化鈦復(fù)合材料陰極（1）硼化鈦涂層陰極涂料成分：TiB230%~60%，炭素填料18％～40％，有機(jī)樹脂20％～35％。涂層工藝：刷涂。涂層效果：涂層對鋁液潤濕性好，可阻擋電解質(zhì)對炭塊的滲透，延長陰極使用壽命；降低電阻率50％，提高電流密度，降低能耗。（2）硼化鈦復(fù)合陰極材料成分：TiB2粉、炭素填料、粘結(jié)劑。制備工藝：炭素塊表面預(yù)先處理，TiB2復(fù)合粉料置于炭素塊表面，之后壓制成形，最后燒結(jié)。使用效果：陰極潤濕性好，電耗降低188kWh/t(Al)，電解槽壽命提高2年。惰性陽極材料惰性鋁電解用陽極材料自上個世紀(jì)50年代開始研究，幾經(jīng)起伏，主要困難是沒有合適的電極材料。惰性陽極材料必須具備的性能：（1）1000℃以上耐熔融氟化物的侵蝕；（2）良好的導(dǎo)電性；（3）良好的抗熱振性。惰性陽極材料的具體性能要求（1）導(dǎo)電率大于現(xiàn)有炭陽極；（2）腐蝕率小于100mm/n，壽命大于5年；（3）鋁質(zhì)量等于或優(yōu)于現(xiàn)有鋁質(zhì)量，不含Be、Cr等有害環(huán)境的元素。使用惰性陽極的意義（1）陽極無CO2排出，只有O2；（2）陽極不消耗，無需更換，電解槽全密封；（3）能耗下降4％～23％。有希望的惰性陽極材料金屬氧化物陶瓷：金屬陽極表面CeO2涂層NiO-NiFe2O4+CuAg鋁的合金化純鋁的強(qiáng)度低，通過添加合金元素提高鋁的強(qiáng)度。主要強(qiáng)化方法：固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化。Zn、Ag、Mg在鋁中的溶解度大于10%；Zn、Ag固溶效果差。Cu、Li、Mn、Si在鋁中的溶解度大于1%；Al-Mg合金固溶強(qiáng)化效果好，防銹鋁合金；Al-Cu耐熱性好；Al-Si鑄造性能好。沉淀強(qiáng)化獲得明顯沉淀強(qiáng)化效果的條件：（１）合金元素溶解度高，隨溫度變化明顯；（２）析出相均勻、彌散，與基體之間形成共格或半共格的關(guān)系時強(qiáng)化效果明顯。典型的沉淀硬化鋁合金Al-Cu合金是唯一獲得明顯沉淀強(qiáng)化效果條件的二元鋁合金。多數(shù)沉淀強(qiáng)化鋁合金組元數(shù)都在三元以上，為的是形成新的強(qiáng)化相。Al-Zn-Mg，強(qiáng)化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3Al-Mg-Si，強(qiáng)化相：Mg2SiAl-Cu-Mg，強(qiáng)化相：CuAl2、Al2CuMg鋁合金的細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)化晶粒、細(xì)化亞結(jié)構(gòu)能使鋁合金的強(qiáng)度提高約10~30%。

為了使制品在熱處理后保留未再結(jié)晶的纖維狀組織，通常加入少量過渡族元素（Mn、Cr、Zr、Ti）提高再結(jié)晶溫度。晶粒直徑為微米級的細(xì)晶鋁合金可產(chǎn)生超塑性。例如Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn，伸長200%不發(fā)生晶粒長大。鋁合金的熱處理原理鋁合金的基本熱處理形式是退火與淬火時效。退火的主要目的是獲得穩(wěn)定的組織或優(yōu)良的工藝塑性。時效的目的主要是提高鋁合金的強(qiáng)度。Al-Cu合金的時效

Al-Cu合金放入干冰（-78℃）中固溶處理，抗拉強(qiáng)度為200MPa左右，長期在干冰中存放，性能無變化。從干冰中取出在室溫存放，２小時后開始硬化，放置８天硬度達(dá)到最大值。50℃存放，２天后硬度達(dá)到最大值。自然時效與人工時效的概念自然時效：將淬火得到的過飽和固溶體置于室溫或低于100℃溫度的環(huán)境下，由于停留時間的增加硬度和強(qiáng)度增高的現(xiàn)象，稱為自然時效。人工時效：100℃以上溫度造成的時效稱為人工時效。Al-Cu合金的時效過程（１）GP區(qū)的形成為什么先形成GP區(qū)？GP區(qū)無獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)，與母相完全共格，在與GP區(qū)垂直的晶向上產(chǎn)生彈性收縮。GP區(qū)厚：幾個原子。直徑：10nm。GP區(qū)間距：2-4nm。AlCu25.65%Al-Cu合金相圖GP區(qū)模型，Cu原子在Al的{100}面上偏聚（２）θ″生成時效溫度升高，GP區(qū)直徑急劇長大。Cu、Al原子逐漸形成規(guī)則排列，形成正方有序結(jié)構(gòu)。a=b=4.04?（Al：4.05?）。

c軸7.68?，比Al晶格常數(shù)的２倍（8.08?）略小，c軸產(chǎn)生4%的錯配度，晶格畸變增大，強(qiáng)度升高。（３）θ′的生成

200℃12小時時效，生成θ′。正方點(diǎn)陣a=b=4.04?，c軸5.80?，名義成分CuAl2，與基體局部失去共格，應(yīng)力場減小。合金硬度、強(qiáng)度下降，開始進(jìn)入過時效階段。Al-Cu合金中θ″、θ′及θ相的晶體結(jié)構(gòu)（４）θ相生成進(jìn)一步提高溫度和延長時效時間，θ′轉(zhuǎn)變成θ（CuAl2）。θ相屬于體心正方點(diǎn)陣，與基體失去共格關(guān)系，合金強(qiáng)度和硬度明顯降低。α過飽和→GP區(qū)→θ″過渡相→θ′過渡相→θ（CuAl2）有時上面幾相可能同時存在。鑄造鋁合金鋁合金是最重要的工業(yè)結(jié)構(gòu)材料之一，鑄造鋁硅合金是在航空航天、機(jī)械、電子等工業(yè)中大量應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料，凝固組織特別是共晶硅的生長形態(tài)對其性能具有決定性影響，凝固過程控制、細(xì)化凝固組織、改變共晶組織生長形態(tài)，是控制鑄造鋁硅合金性能的重要措施。主要的鑄造鋁合金（１）Al-Si、Al-Si-Mg系，強(qiáng)度中等，常溫使用，適合鑄造復(fù)雜形狀零件，常用。（２）Al-Cu，熱強(qiáng)性好，工作溫度高，鑄造工藝性好，抗腐蝕性較低。（３）Al-Mg，強(qiáng)度高，切削性能好，耐蝕性、鑄造性較差。（４）Al-Re，耐熱性好，鑄造工藝性好，室溫強(qiáng)度低。（５）Al-Zn，有自淬火性，可直接自然時效。比重大，耐熱性較差。Al-Mg二元合金相圖鑄造鋁合金的編號鑄造鋁合金采用“鑄鋁”二字漢語拼音字頭ZL表示，其后有三個數(shù)字，第一個代表合金系，其余為合金順序號。例如：ZL102，表示Al-Si系第一號鑄鋁。Al-Si系合金的牌號及主要成分合金牌號主要成分，%SiMgMnCuAlZL-1016.0~8.00.2~0.4__余量ZL-10210.0~13.0___余量ZL-1034.5~5.50.35~0.60.6~0.91.5~3.0余量ZL-1048.0~10.50.17~0.30.2~0.5_余量ZL-1054.5~5.50.35~0.6_1.0~1.5余量Al-Si合金相圖Al-Si系合金的鑄造及其變質(zhì)處理

Al-Si二元合金共晶體中，硅呈粗大針狀，嚴(yán)重影響合金的性能，不能作為工業(yè)合金使用。直至1921年發(fā)現(xiàn)了變質(zhì)處理方法，改變了硅的形狀，提高了合金的性能，Al-Si合金才得到廣泛應(yīng)用。一般硅大于6%的鑄造鋁合金都要求在合金精煉后進(jìn)行變質(zhì)處理。未變質(zhì)的(a)和變質(zhì)處理后的(b)Al-12%Si合金組織×500(a)(b)常用變質(zhì)劑及變質(zhì)處理方法二元變質(zhì)劑：2/3NaF+1/3NaCl三元變質(zhì)劑:25%NaF+62%NaCl+13%KCl變質(zhì)處理的方法是：將預(yù)熱過的變質(zhì)劑撒入合金液面上，保持10~12分鐘至變質(zhì)劑熔化。此時應(yīng)不斷地打碎硬殼使氣體排除，并將碎硬殼壓入合金液面下約100~150毫米，時間約3~5分鐘。變質(zhì)處理的機(jī)理

關(guān)于變質(zhì)機(jī)理，目前尚無完全統(tǒng)一解釋，比較流行的是吸附理論：硅在鋁內(nèi)的晶體具有大量孿晶，硅晶體是以孿晶的方向生長的，最后形成粗大的針狀形態(tài)。加鈉以后，形成大量（NaAl）Si2的結(jié)晶核心與鋁形成共晶，使共晶成分產(chǎn)生偏移。同時，鈉破壞了孿晶的角度，使硅的晶體不易生長，此外，硅晶體與鋁的界面上也分布有鈉，阻礙了硅的生長，因而硅以球狀的方式長大。Al-Si合金的熱處理：

雖然硅在α固溶體中隨溫度下降有明顯的固溶度變化，但ZL-102合金熱處理強(qiáng)化效果不大。這是因?yàn)楣璧某恋砗图鬯俣群芸?，甚至在淬火過程中都可能發(fā)生固溶體的分解，析出硅質(zhì)點(diǎn)，而不形成共格或半共格的過渡相。因此生產(chǎn)上ZL-102合金一般只進(jìn)行退火：300±10℃，保溫2-4小時空冷或隨爐冷卻。其典型性能為：σb=160Mpa，σ0.2=90MPa，δ=5.0%，HB=50。

除了ZL-102，其它牌號的鋁合金在使用前一般都需進(jìn)行淬火和時效處理，淬火溫度一般在515-535℃,保溫時間2-6小時，淬火冷卻介質(zhì)為20-100℃的水。時效處理加熱溫度一般為150-300℃，加熱時間為2-5小時，一般采用空冷。合金牌號熱處理狀態(tài)淬火時效（回火）加熱溫度℃保溫時間小時冷卻介質(zhì)及溫度℃加熱溫度℃保溫時間小時冷卻介質(zhì)ZL101T2___300±102-4空冷/爐冷T4535±52-620-100，水---T5535±52-620-100，水150±52-4空冷T6535±52-620-100，水200±53-5空冷T7535±52-680-100，水225±53-5空冷T8535±52-680-100，水250±53-5空冷ZL-102T2---300±102-4空冷/爐冷ZL-103T1---175±53-5空冷T2---300±102-4空冷T5515±53-620-100，水175±53-5空冷T7515±53-620-100，水230±103-5空冷T8515±53-62