铝合金淬火工艺

铝合金淬火工艺

一．淬火原理

挤压铝合金大多数是可热处理强化合金，这些合金挤压后经过固溶热处理和时效，便可提高强度，获得有用的组织和性能。可热处理强化铝合金的显著特点是，其主要合金元素在固态铝中的溶解度随温度升高而大大增加。

固溶热处理（或称淬火）通常包括两个步骤，即固溶处理和冷却。第一步是在固溶度曲线温度以上将材料进行热处理形成固溶体，但是温度要低于固相线温度（或共晶温度），热处理所需时间取决于合金中Mg2Si化合物粒子的大小和分布状况以及热处理温度的高低。细小的、高度弥散的Mg2Si化合物粒子比粗大的、聚集的粒子会更快溶解。一定形态的Mg2Si粒子其溶解度随温度的升高而显著提高。第二步是必须使高温下处于固溶状态的合金材料足够快地冷却到室温，以防止Mg2Si的析出，使得合金元素Mg和Si保留在过饱和固溶体中，为时效析出作好准备。

二．挤压在线淬火合金希望具有需要的特性

（1）固溶度线和固相线之间的温度围宽, 易于控制制品出口温度所希望的固溶温度围;

（2）在固溶温度下挤压变形力低, 尽可能减少变形能量和综合温升, 获得较高的允许挤压速度;

（3）淬火敏感性低, 可对各种不同断面制品采用强制风冷而不需采用水淬;

（4）采用风冷时材料具有足够的韧性;

（5）具有符合结构应用的拉伸强度性能"

三．适合挤压在线淬火的合金应具有的条件

（1）合金固态溶解度极限与固相线之间围宽;

（2）合金可容许溶质原子(合金元素) 某种程度的分解析出, 而不损害材料的使用性能;

（3）合金具有良好的可挤压性, 挤出制品能较好的流出模具到达淬火装置, 使得在模具出口至淬火区之间产生溶质原子(合金元素) 的某些析出很少, 不至于达到不可接受的程度"

（4）合金最好具有低的临界淬火速度, 尤其在合金用于生产薄壁复杂型材时可进行空气淬火"鉴于迄今为止对现有铝合金特性的了解, 上述条件导致了挤压在线淬火主要局限于Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg 系合金"，一般认为, 高强度Al-Cu-Mg 系合金(如2024合金) 和超高强度Al-Zn-Mg-Cu系合金(如7075合金) 需要达到最佳的工艺水平才能实现挤压在线淬火。然而, 这样高的工艺水平在目前还很难达到, 尽管有报道说这两类合金曾在德国二战期间成功地进行了挤压淬火。

四．淬火规程的选择原则

1.淬火加热温度

原则上可以由相图来确定这类合金的加热温度。淬火加热温度的下限为固溶度曲线，而上限为开始熔化温度。一般进行淬火-时效处理的合金，含合金元素浓度的要求比较严格，容许的波动围小，例如某些铝合金淬火温度仅容许有±2℃~±3℃的波动，还要求在加热过程中金属温度能够保证较好的均匀性。因此，淬火加热所采用的设备一般为温度能准确控制以及炉温度均匀的浴炉和气体循环炉，工件以单片的方式悬挂于炉中，这不仅能保证均匀加热，而且能保证淬火时均匀冷却。当然，对于淬火温度围较宽的合金，淬火加热就易于控制。

淬火时金属部会发生一系列物理-化学变化，除最主要的相态变化外，还会产生再结晶、晶粒长大以及与周围介质的作用等，这些变化对淬火后合金的性能都会带来影响。在确定淬火温度时，应根据不同合金的特点予以考虑。例如，在不发生过烧的前提下，提高淬火温度有助于时效强化过程，但某些合金在高温下晶粒长大倾向大，则应限制最高的加热温度。

过烧是淬火时易于出现的缺陷。轻微过烧时，表面特征不明显，显微组织观察到晶界稍变粗，并有少量球状易熔组成物，晶粒亦较大。反映在性能上，冲击韧性降低，腐蚀速率大为增加。严重过烧时，除了晶界出现易熔物薄层，晶出现球状易熔物外，粗大的晶粒晶界平直、严重氧化，三个晶粒的衔接点呈黑三角，有时出现沿晶界的裂纹。在

制品表面，颜色发暗，有时也出现气泡等凸出颗粒。

2.淬火加热保温时间

保温的目的在于使相变过程能够充分进行（过剩相充分溶解），使组织充分转变到淬火需要的形态。在工业成批生产的条件下，保温时间应当自炉料最冷部分达到淬火温度的下限算起。保温时间的长短，主要取决于成分、原始组成及加热温度。

温度越高，相变速率越大，所需保温时间越短。

材料的预先处理和原始组织（包括强化相尺寸、分布状态等）对保温时间也有很大影响。通常，铸态合金中的第二相较为粗大，溶解速率较小，它所需要的保温时间远比变形后的合金为长。就同一变形合金来说，变形程度大的要比变形程度小的所需时间短。退火状态合金中，强化相尺寸较已淬火-时效后的合金粗大，故退火合金状态合金淬火加热保温时间较重新淬火保温的时间长得多。

保温时间还与装炉量、工件厚度、加热方式等因素有关。装炉量越多、工件越厚，保温时间越长。浴炉加热比气体介质加热速度快，时间短。为获得细晶粒组织并防止晶粒长大，在保证强化相全部溶解的前提下，尽量采用快速加热及短的保温时间是合理的。

3.淬火速度

合金淬火时的冷却速度必须确保过饱和固溶体被固定下来不分解防止强化相的析出，降低淬火时效后的力学性能。因此淬火时的冷

却速度越快越好。但是冷却速度越大，淬火制品的残余应力和残余变形也越大，因此冷却速度一般要根据不同的合金和不同形状、尺寸的制品来确定。合金的淬火敏感性越强，选择的淬火冷却速率就越大。如2A11、2A12铝合金淬火冷却速率应在50℃/s以上，而7A04铝合金对冷却速率非常敏感，其淬火速率要求在170℃/s。

五.淬火应力

工件在淬火介质中迅速冷却时产生热应力，从而导致材料产生不均匀变形。对于铝合金厚板（厚度>=6mm），尤其是超厚板（厚度>=50mm），淬火应力问题更加突出。淬火后的残余应力会影响到材料的力学性能，如抗应力腐蚀性能、断裂韧度和抗疲劳性能等。如果淬火制品需要进行切削加工处理，可能会影响到淬火应力的亚稳平衡，使淬火制品产生扭拧、翘曲和弯折等缺陷。

合金在淬火冷却过程中工件沿截面产生一定的温度梯度，表面温度低，心部温度高，表面和心部存在温度差。温度梯度对淬火应力的大小有着重要的影响，而影响温度梯度的淬火工艺因素主要有淬火加热温度、淬火速度、工件截面尺寸和工件截面形状。为了减少淬火后合金的残余应力，应该适当降低淬火冷却速率以减小温度梯度。这种做法对于复杂截面、壁厚差较大的型材特别重要。较为普通的方法就是将淬火介质水的温度提高至60-80℃，也可采用等温淬火和中断淬火技术，或者采用液氮和某些有机介质进行淬火，这样可使工件缓和均匀地冷却，可明显的减小不均匀变形和淬火应力。但是对于淬火敏