铝合金综合热处理 73

铝合金综合热处理高革编译高云震校73—6一、提高强度到目前为止，强化铝合金的热处理是一般的热处理，同时也是很重要的。这里主要从生产的观点出发，介绍有关提高变形铝合金材料强度的热处理方案。通常，在时效硬化处理方面，铝-铜系的杜拉铝等首先出现并进行固溶热处理和淬火热处理。其次，铝-镁-硅系合金(6063)和铝-锌-镁系合金(7N01)利用它们的良好的“淬火性”，在热加工后直接进行淬火处理，在很多情况下不特意重新进行固溶热处理。特别是，挤压制品这种倾向较强，也有挤压热处理的说法。如果前者是正规的热处理，而后者就是合理化的简易热处理，在提高生产率上大量使用。因此，作为综合热处理方案，首先按次序说明提高强度的正规热处理过程，然后介绍在合理化热处理过程中根据合金种类可能强化的适当程度。1.固溶热处理和淬火处理固溶热处理是把作为硬化的主要合金成分固溶在基体中，然后用淬火、回火(时效)进行硬化的必要热处理。图1示出以铝-铜合金为例的平衡状态图。在溶解度线以上的高温(A)下溶质原子铜大体完全固溶，而在溶解度线以下的温度(B)或(C)之下铜原子析出。当从(A)点开始快速冷却时能获得(A)的状态，不是(B)、(C)的状态，可使铜过饱和固溶。在这种场合下为了形成(A)的状态进行加热使溶质固溶，这种处理称为固溶热处理。然后进行快速冷却，使(A)的状态在常温也保持下来，这种处理称为淬火。固溶热处理成为淬火的前提，因而通常也是包括淬火的热处理。图1铝-铜合金的部分状态图代表性的时效硬化铝合金的固溶热处理温度和熔化温度范围列于表1。由表1中可看出固溶热处理温度的上限接近于熔化温度范围的下限，由此对固溶热处理温度的控制必须充分的注意。固溶热处理以在固相间元素扩散为基础，因此只有温度高时有利，但是，如果超过规定的最高温度，共晶体就溶化，从而合金物理性能下降。此外，过度的加热能使金属表面剧烈地产生气孔。如果温度比规定的最小值还低，就不能达到完全固溶化，也不能获得最大的机械性能。图2示出固溶热处理温度对2014-T4及2014-T6材料机械性能的影响，由图2可知，获得稳定强度的温度范围小。表2列出变形材料固溶热处理时必须保持的加热时间。最短的保持时间取决于能获得对材料要求的机械性能，因此断面的厚度增加，保持时间就要增长。图2固溶热处理温度对2014-T4，2014-T6机械性能的影响当用空气炉加热时，保持时间过长，就会有增加高温氧化的危险。当用盐浴炉或用气体介质调整适当的空气炉时，保持时间为表2中示出的数量的几倍也是安全的。对包复金属的制品在保证获得所要求的机械性能前提下，保持时间要求在最短限度内。如果保持时间比此限度长，基体合金成分就向包复的金属层扩散，抗腐性受到损失。为了使固溶热处理状态在室温下固定下来，必须由固溶热处理温度开始快速冷却，在冷却过程中不使合金元素产生析出。由于材料不同，在冷却过程中，有的容易产生析出，有的不容易，这样的性质称为淬火性。例如，图3示出7075，6061及7N01合金的淬火速度与获得的强度的关系。图37075，6061及7N01合金的淬火速度与获得的强度的关系对7075，2014，2017，2024及7178等高强度合金来说，由于淬火性不良，因此实际淬火的操作要快，并且必须在水量充分或循环的水中进行全浸淬火。当淬火结束取出被处理的材料时水温最好不超过38℃。浸渍淬火的最慢时间示于表3。淬火转移时间就是从炉门打开时或淬火料的前端从盐浴里出现时开始，到该料的末端浸渍在淬火水糟内终了时为止。7N01合金或淬火性比6061合金更优越的6063合金在空气中冷却时强度下降较少，即能进行挤压热处理。图4硬化成分的固溶限度控制这些处理的重要性在于固溶热处理温度，保持时间及在淬火的情况下从(A)开始冷却的速度。如果固溶热处理温度(A)在溶解度线和固相线之间，则要适当地加以区别，但是很多情况下溶质原子也具有固溶以外的意义，一般采用比固相线大约低50℃的温度。各种成分的溶解度曲线示于图4，从图中可知，有很大的差别。淬火的冷却速度根据淬火敏感性在工业上也分别采用水中淬火、加入应变防止剂的水淬火、温水淬火、油淬火、喷雾淬火及空气淬火等。淬火用快速冷却法上面已经介绍，而淬火敏感性迟钝的材料用相当缓慢的冷却方法也有效。按照淬火的敏感性有相对的方法，一般快速冷却采用水冷。2.时效和析出的处理众所周知，固溶热处理过的材料，以时间和温度为主要因素，从过饱和固溶状态产生析出，在此过程中材料的强度增加。这种现象称为时效现象，它是继固溶热处理的重要的过程。一般在室温下引起的时效叫做自然时效，在高温下引起的时效叫做人工时效。前者也称为低温时效，后者也称为高温时效。在室温时效时，时效速度缓慢不能达到最终值，而在高温时效时，时效速度达到最大值后引起软化。这种现象称为过时效。图52014，6061合金板材的人工时效条件与强度的关系图5是2014，6061合金板材的高温时效曲线，根据时间和温度的因素来了解淬火时的强度变化。表4是实用合金的析出处理条件的一个例子。用日本工业标准标号表示，T4状态为低温时效，T6为高温时效。某些合金在热加工时就呈固溶状态，不用淬火处理，而只用析出处理也能获得强度。6063挤压的材料的T5处理是其代表性的处理。在生产过程中，时效处理时的生产技术上的问题，不比固溶处理时少。因此更详细些就涉及到时效处理的机理。如上所述，固溶热处理→室温过饱和固溶→时效→硬化发生性质上的变化，这是由于在过饱和固溶体的分解过程中合金结构发生了变化，因此关于形成什么样的析出相，过去就进行了大量的研究。现在，对研究最多的了解详细的铝-4%铜合金的强化机理为例加以说明。图6示出在两种时效条件下铝-4%铜合金析出硬化的区域、中间相的范围与硬度的关系，由此形成过饱和固溶体→G.P(1)→G.P(2)→→→CuAl2的序列。图6铝-4%铜合金在2种时效条件下时效硬化时组织对硬度的影响由于在室温那样比较低的温度下形成G.P区，因而在一定的临界温度以上加热时变为不稳定和再固溶。由于这样原因，在时效硬化时强化的机械性能可以返回到固溶处理后(沾火当时)的软质状态。这种现象称为回归。例如，铝-4%铜合金进行常温时效，产生G.P区，如果再把它在200℃下加热1分钟左右，就恢复到淬火后的状态。时效硬化的机理从位错理论来说，由于存在上述那样的析出质点，可根据位错运动妨害的程度情况来说明。表5示出了主要形成G.P区的低温时效和主要形成中间迁移相的高温时效的区别、它们的机理及与它们有关的事项。为了获得最高的强度，只要使位错不剪断的刚性率大的中间相能够均匀细化，它就会大量的分散。在实用的时效合金中，尤其是在低温即室温下时效硬化的合金中，低温时效成为第一阶段时效，继续进行高温时效时，高温时效成为第二阶段时效。在一般的时效过程中，第一阶段时效温度和第二阶段的时效温度有差别时，称为两阶段时效。如果所有的材料用两阶段时效的方法能够改善机械性能，那么利用时效的优点也可显著地减少工时，但是从用两阶段时效改善性能来看，由于这种方法不平常，因而变成了麻烦。实用时效铝合金中易受这样影响的有铝-锌-镁系合金及铝-镁-硅系合金。铝-锌-镁系合金固溶热处理温度低，不但淬火时的冷却速度对强度影响小，而且在室温下强度恢复的效果也良好，因此作为焊接结构材料得到广泛应用。然而在比室温还高的温度下进行时效时，固溶热处理淬火后立即进行高温时效莫如在室温下放置3-7日后进行时效获得的强度更高。图7示出7N01合金的一个例子。图77N01合金在室温下预备时效的效果此外，铝-镁-硅合金如图8所示，Mg2Si含量在某些程度以上时淬火后立即在高温下时效比淬火后在室温下放置，然后又在高温下时效的强度高，但是Mg2Si含量0.9%以下的合金进行预时效，强度良好。6061合金不在室温下进行预处理较好，而对6063合金最近考虑其挤压性，Mg2Si含量比较少时，与铝-锌-镁系合金相同，挤压后在室温下时效比其后在高温下时效有着较高硬化。图8铝-镁-硅系合金的组成和预时效的作用(160℃，16小时时效)热处理后经过淬火的材料由于存在过饱和固溶体所以呈不稳定状态，在常温或比常温稍高的温度下溶质原子析出，向平衡状态变化。伴随这过程，可热处理合金时效产生硬化，所以称为时效硬化处理。在常温或常温以上的温度区分自然时效和人工时效，后者也称为回火。一般在析出过程的初期(G.P区析出)或中间(中间相析出)时期强度最高。析出进一步进行时到强度下降变成过时效为止。时效处理温度根据合金而不同，2017，2024等在常温下放置能充分硬化(进行充分时相当于T4状态)。2014，6061，6063合金等在150～200℃下加热，可使硬化达到充分(相当于T6状态)。7074合金和新日本工业标准的7N01等铝-锌-镁合金全采用T4，T6。3.挤压热处理占现有挤压型材大部分的6063合金和近几年出现的7N01合金等多数用挤压热处理。由于挤压时合金元素固溶化，因此挤压热处理变为可能，其成否取决于合金的种类和铸块的热处理等。图9示出挤压加工中温度分布的情况。一般挤压温度比合金固溶温度低，由于在加工中产生变形热，材料在靠近模子时温度上升，因此析出物也能再固溶。为了进行这样过程，在挤压前一定要进行均匀化热处理，但是不好的是在其冷却过程中析出物变得太大。此外必须迅速加热到挤压温度。表6列出6063铸块在560℃下均匀化热处理后以不同速度冷却到室温，又经过感应加热后在480℃下所挤压的棒材经过时效后的机械性能。均匀化热处理后用炉子冷却的铸锭的析出物变大，挤压时不能充分再固溶，因此时效后的强度不良。图9挤压热处理和温度的分布表7列出7N01合金挤压型材的抗张性能与铸块均匀化热处理的关系。铸块在465℃下经过8小时的均匀热处理后，在430℃下挤压，在室温下时效一个月，或者挤压和用空气冷却之后在120℃下回火24小时的型材强度比没有经过铸块均匀化热处理的型材强度要大10公斤/毫米2左右。把挤压制品在465℃下固溶热处理后，也同样进行时效处理，这种倾向没有发生变化。这是由于7N01合金中含有的铬、锰、锆等过渡元素在铸块均匀化热处理过程中微细地析出，促进挤压纤维组织的形成而造成强化的缘故，一般都把这作为挤压效应来了解。此外，6063合金或7N01合金由于经过挤压后在静止空气或流动空气中(吹风冷却)冷却，淬火充分，从而可省略挤压后固溶热处理过程，不用说，这在经济上很有利。为此，合金的淬火性成为注意的问题。6061合金和淬火性不良的2017，2024合金等挤压型材从模子挤出后应立即浇水，即骤冷处理。图106063合金挤压热处理循环周期这种处理的材料与正规固溶热处理的材料相比，其晶粒度细，有很多的挤压纤维组织，如果淬火处理完成得均匀充分，则强度良好。对6063合金和6061合金挤压热处理的周期加以比较，示于图10和图11。6063合金在500℃下挤压后在450→200℃之间以1℃/秒的冷却速度冷却，可获得相当高的强度，而6061合金冷却速度不大于10℃/秒时，强度显著降低，因此一般的型材要进行骤冷处理。图116061合金挤压热处理的周期这样一来，在由高温开始以较快的速度冷却的状态下主要硬化因素Mg2Si呈固溶状态，所以它对更大的强化没有作用，但是在接近200℃的温度下进行回火处理，就产生微细的析出物，达到最高强度。如果在450℃→200℃间冷却速度缓慢，则在冷却过程中Mg2Si变大，疏散地析出，对其后的时效硬化没有作用。主要硬化的因素Mg2Si越多，特别铬、锰、锆等过渡元素的添加量越多，在冷却过程中Mg2Si的粗大析出物就越多，即淬火性变坏。二、均匀化和加工性改善1.铸块的非均匀性一般，加工用的铝合金铸块是用连续铸造法铸成。采用连续铸造法时冷却速度比用其他铸造法的快，易引起过冷却，并且因相间的扩散比用缓慢冷却铸造法的慢，这种倾向很强，因此具有易引起宏观组织偏析和显微组织偏析的倾向。图12及图13示出其一例。图12连续铸造铸锭时液穴形状、凝固速度及晶粒尺寸的变化图13在A、B、C的位置上晶粒显微组织图12示出了用连续