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鋁合金熱處理工藝

來(lái)(lái)源:未知作者:admin發(fā)(fā)布時(shí)(shí)間:2017-05-26 09:10

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鋁合金熱處理原理

鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規范,控制加熱速度升到某一相應溫度下保溫一定時(shí)(shí)間并以一定得速度冷卻,改變其合金的組織,其主要目的是提高合金的力學(xué)(xué)性能,增強耐腐蝕性能,改善加工型能,獲得尺寸的穩定性。

鋁合金熱處理特點(diǎn)(diǎn)

眾所周知,對于含碳量較高的鋼,經(jīng)(jīng)淬火后立即獲得很高的硬度,而塑性則很低。然而對鋁合金并不然,鋁合金剛淬火后,強度與硬度并不立即升高,至于塑性非但沒(méi)(méi)有下降,反而有所上升。但這種淬火后的合金,放置一段時(shí)(shí)間(如4~6晝夜后),強度和硬度會(huì )(huì )顯著(zhù)(zhù)提高,而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強度、硬度隨時(shí)(shí)間增長(cháng)(cháng)而顯著(zhù)(zhù)提高的現象,稱(chēng)(chēng)為時(shí)(shí)效。時(shí)(shí)效可以在常溫下發(fā)(fā)生,稱(chēng)(chēng)自然時(shí)(shí)效,也可以在高于室溫的某一溫度范圍(如100~200℃)內發(fā)(fā)生,稱(chēng)(chēng)人工時(shí)(shí)效。

鋁合金時(shí)(shí)效強化原理

鋁合金的時(shí)(shí)效硬化是一個(gè)(gè)相當復雜的過(guò)(guò)程,它不僅決定于合金的組成、時(shí)(shí)效工藝,還取決于合金在生產(chǎn)(chǎn)過(guò)(guò)程中縮造成的缺陷,特別是空位、位錯的數量和分布等。目前普遍認為時(shí)(shí)效硬化是溶質(zhì)(zhì)原子偏聚形成硬化區的結果。

鋁合金在淬火加熱時(shí)(shí),合金中形成了空位,在淬火時(shí)(shí),由于冷卻快,這些空位來(lái)(lái)不及移出,便被“固定”在晶體內。這些在過(guò)(guò)飽和固溶體內的空位大多與溶質(zhì)(zhì)原子結合在一起。由于過(guò)(guò)飽和固溶體處于不穩定狀態(tài)(tài),必然向平衡狀態(tài)(tài)轉變,空位的存在,加速了溶質(zhì)(zhì)原子的擴散速度,因而加速了溶質(zhì)(zhì)原子的偏聚。

硬化區的大小和數量取決于淬火溫度與淬火冷卻速度。淬火溫度越高,空位濃度越大,硬化區的數量也就越多,硬化區的尺寸減小。淬火冷卻速度越大,固溶體內所固定的空位越多,有利于增加硬化區的數量,減小硬化區的尺寸。

沉淀硬化合金系的一個(gè)(gè)基本特征是隨溫度而變化的平衡固溶度,即隨溫度增加固溶度增加,大多數可熱處理強化的的鋁合金都符合這一條件。沉淀硬化所要求的溶解度-溫度關(guān)(guān)系,可用鋁銅系的Al-4Cu合金說(shuō)(shuō)明合金時(shí)(shí)效的組成和結構的變化。圖3-1鋁銅系富鋁部分的二元相圖,在548℃進(jìn)(jìn)行共晶轉變L→α+θ(Al2Cu)。銅在α相中的極限溶解度5.65%(548℃),隨著(zhù)(zhù)溫度的下降,固溶度急劇減小,室溫下約為0.05%。

在時(shí)(shí)效熱處理過(guò)(guò)程中,該合金組織有以下幾個(gè)(gè)變化過(guò)(guò)程:

形成溶質(zhì)(zhì)原子偏聚區-G·P(Ⅰ)區

在新淬火狀態(tài)(tài)的過(guò)(guò)飽和固溶體中,銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無(wú)(wú)序的。時(shí)(shí)效初期,即時(shí)(shí)效溫度低或時(shí)(shí)效時(shí)(shí)間短時(shí)(shí),銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集,形成溶質(zhì)(zhì)原子偏聚區,稱(chēng)(chēng)G·P(Ⅰ)區。G·P(Ⅰ)區與基體α保持共格關(guān)(guān)系,這些聚合體構成了提高抗變形的共格應變區,故使合金的強度、硬度升高。

G·P區有序化-形成G·P(Ⅱ)區

隨著(zhù)(zhù)時(shí)(shí)效溫度升高或時(shí)(shí)效時(shí)(shí)間延長(cháng)(cháng),銅原子繼續偏聚并發(fā)(fā)生有序化,即形成G·P(Ⅱ)區。它與基體α仍保持共格關(guān)(guān)系,但尺寸較G·P(Ⅰ)區大。它可視為中間過(guò)(guò)渡相,常用θ”表示。它比G·P(Ⅰ)區周?chē)幕兏?,對位錯運動(dòng)(dòng)的阻礙進(jìn)(jìn)一步增大,因此時(shí)(shí)效強化作用更大,θ”相析出階段為合金達到最大強化的階段。

形成過(guò)(guò)渡相θ′

隨著(zhù)(zhù)時(shí)(shí)效過(guò)(guò)程的進(jìn)(jìn)一步發(fā)(fā)展,銅原子在G·P(Ⅱ)區繼續偏聚,當銅原子與鋁原子比為1:2時(shí)(shí),形成過(guò)(guò)渡相θ′。由于θ′的點(diǎn)(diǎn)陣常數發(fā)(fā)生較大的變化,故當其形成時(shí)(shí)與基體共格關(guān)(guān)系開(kāi)(kāi)始破壞,即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?,因?theta;′相周?chē)w的共格畸變減弱,對位錯運動(dòng)(dòng)的阻礙作用亦減小,表現在合金性能上硬度開(kāi)(kāi)始下降。由此可見(jiàn)(jiàn),共格畸變的存在是造成合金時(shí)(shí)效強化的重要因素。

形成穩定的θ相

過(guò)(guò)渡相從鋁基固溶體中完全脫溶,形成與基體有明顯界面的獨立的穩定相Al2Cu,稱(chēng)(chēng)為θ相此時(shí)(shí)θ相與基體的共格關(guān)(guān)系完全破壞,并有自己獨立的晶格,其畸變也隨之消失,并隨時(shí)(shí)效溫度的提高或時(shí)(shí)間的延長(cháng)(cháng),θ相的質(zhì)(zhì)點(diǎn)(diǎn)聚集長(cháng)(cháng)大,合金的強度、硬度進(jìn)(jìn)一步下降,合金就軟化并稱(chēng)(chēng)為“過(guò)(guò)時(shí)(shí)效”。θ相聚集長(cháng)(cháng)大而變得粗大。

鋁-銅二元合金的時(shí)(shí)效原理及其一般規律對于其他工業(yè)(yè)鋁合金也適用。但合金的種類(lèi)(lèi)不同,形成的G·P區、過(guò)(guò)渡相以及最后析出的穩定性各不相同,時(shí)(shí)效強化效果也不一樣。幾種常見(jiàn)(jiàn)鋁合金系的時(shí)(shí)效過(guò)(guò)程及其析出的穩定相列于表3-1。從表中可以看到,不同合金系時(shí)(shí)效過(guò)(guò)程亦不完全都經(jīng)(jīng)歷了上述四個(gè)(gè)階段,有的合金不經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)G·P(Ⅱ)區,直接形成過(guò)(guò)渡相。就是同一合金因時(shí)(shí)效的溫度和時(shí)(shí)間不同,亦不完全依次經(jīng)(jīng)歷時(shí)(shí)效全過(guò)(guò)程,例如有的合金在自然時(shí)(shí)效時(shí)(shí)只進(jìn)(jìn)行到G·P(Ⅰ)區至G·P(Ⅱ)區即告終了。在人工時(shí)(shí)效,若時(shí)(shí)效溫度過(guò)(guò)高,則可以不經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)G·P區,而直接從過(guò)(guò)飽和固溶體中析出過(guò)(guò)渡相,合計時(shí)(shí)效進(jìn)(jìn)行的程度,直接關(guān)(guān)系到時(shí)(shí)效后合金的結構和性能。

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