铝合金热处理原理及工艺

铝合金热处理原理及工艺
3.1铝合金热处理原理
铝合金铸件得热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。

3.1.1铝合金热处理特点
众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。

然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。

但这种淬火后的合金，放置一段时间（如4～6昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。

淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。

时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。

3.1.2铝合金时效强化原理
铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。

目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。

铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。

这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。

由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。

硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。

淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。

淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。

沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。

沉淀硬化所要求的溶解度－温度关系，可用铝铜系的Al－4Cu合金说明合金时效的组成和结构的变化。

图3－1铝铜系富铝部分的二元相图，在548℃进行共晶转变L→α＋θ（Al2Cu）。

铜在α相中的极限溶解度5.65％（548℃），随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为0.05％。

在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程：
3.1.2.1 形成溶质原子偏聚区－G·P（Ⅰ）区
在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。

时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G·P（Ⅰ）区。

G·P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。

3.1.2.2 G·P区有序化－形成G·P（Ⅱ）区
随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G·P（Ⅱ）区。

它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G·P（Ⅰ）区大。

它可视为中间过渡相，常用θ”表示。

它比G·P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。

3.1.2.3形成过渡相θ′
随着时效过程的进一步发展，铜原子在G·P （Ⅱ）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相θ′。

由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。

由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。

3.1.2.4 形成稳定的θ相
过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效”。

θ相聚集长大而变得粗大。

铝－铜二元合金的时效原理及其一般规律对于其他工业铝合金也适用。

但合金的种类不同，形成的G·P区、过渡相以及最后析出的稳定性各不相同，时效强化效果也不一样。

几种常见铝合金系的时效过程及其析出的稳定相列于表3－1。

从表中可以看到，不同合金系时效过程亦不完全都经历了上述四个阶段，有的合金不经过G·P（Ⅱ）区，直接形成过渡相。

就是同一合金因时效的温度和时
间不同，亦不完全依次经历时效全过程，例如有的合金在自然时效时只进行到G·P（Ⅰ）区至G·P （Ⅱ）区即告终了。

在人工时效，若时效温度过高，则可以不经过G·P区，而直接从过饱和固溶体中析出过渡相，合计时效进行的程度，直接关系到时效后合金的结构和性能。

表3－1几种铝合金系的时效过程及其析出稳定的强化相
3.1.3影响时效的因素
3.1.3.1从淬火到人工时效之间停留时间的影响
研究发现，某些铝合金如Al－Mg－Si系合金在室温停留后再进行人工时效，合金的强度指标达不到最大值，而塑性有所上升。

如ZL101铸造铝合金，淬火后在室温下停留一天后再进行人工时效，强度极限较淬火后立即时效的要低10～20Mpa，但塑性要比立刻进行时效的铝合金有所提高。

3.1.3.2合金化学成分的影响
一种合金能否通过时效强化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。

如硅、锰在铝中的固溶度比较小，且随温度变化不大，而镁、锌虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度，但它们与铝形成的化合物的结构与基体差异不大，强化效果甚微。

因此，二元铝－硅、铝－锰、铝－镁、铝－锌通常都不采用时效强化处理。

而有些二元合金，如铝－铜合金，及三元合金或多元合金，如铝－镁－硅、铝－铜－镁－硅合金等，它们在热处理过程中有溶解度和固态相变，则可通过热处理进行强化。

3.1.3.3合金的固溶处理工艺影响
为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。

另外在淬火冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出而降低时效强化效果。

3.1.3.4时效温度的影响
在不同温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、成分以及聚集长大的速度不同，若温度过低，由于扩散困难，G·P区不易形成，时效后强度、硬度低，当时效温度过高时，扩散易进行，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大，时效后强度、硬度偏低，即产生过时效。

因此，各种合金都有最适宜的时效温度。

3.1.4铝合金的回归现象
经淬火自然时效后的铝合金（如铝－铜）重新加热到200～250℃，然后快冷到室温，则合金强度下降，重新变软，性能恢复到刚淬火状态；如在室温下放置，则与新淬火合金一样，仍能进行正常的自然时效，这种现象称为回归现象。

关于回归现象的解释是合金在室温自然时效时，形成G·P区尺寸较小，加热到较高温度时，这些小的G·P区不再稳定而重新溶入固溶体中，此时将合金快冷到室温，则合金又恢复到新淬火状态，仍可重新自然时效。

在理论上回归处理不受处理次数的限制，但实际上，回归处理时很难使析出相完全重溶，造成以后时效过程呈局部析出，使时效强化效果逐次减弱。

同时在反复加热过程中，固溶体晶粒有越来越大的趋势，这对性能不利。

因此回归处理仅用于修理飞机用的铆钉合金，即可利用这一现象，随时进行铆接，而对其他铝合金则没有使用价值。

3.1.5固溶处理与淬冷
为了利用沉淀硬化反应，首先通过加热及快速冷却，形成一种过饱和的固溶体。

形成固溶体的工艺过程称固溶热处理。

其目的是把合金最大量实际可溶解的硬化元素溶于固溶体中。

这一工艺过程包括把合金加热到足够高温度下保温足够长时间然后水中快冷。

概括的说，提高铝合金强度、硬度的热处理，包括三个步骤的工艺过程：（1）固溶热处理－可溶相的溶解。

（2）淬火－过饱和固溶体的形成。

（3）时效－在室温下（自然时效）或高温下（人工时效或沉淀热处理）溶质原子的沉淀析出。