铝合金的热处理 81-6

铝合金的热处理81—6【日本】马场义雄1、前言铝合金能够采用冷加工、淬火、时效和退火等方法，进行调正强度、成型性以及其他性质。按着这样的操作工艺得到所要求的性质，把这种操作称为调质处理，调质的分类称为调质类型。一般来说，铝变形材料大体分为非热处理型和热处理型两大类别：纯铝(1000系)、Al-Mn系合金(3000系)、Al-Si系合金(4000系)及Al-Mg系合金(5000系)属于非热理型合金；Al-Cu-Mg系合金(2000系)、Al-Mg-Si系合金(6000系)及Al-Zn-Mg系合金(7000系)属于热处理型合金。非热处理型合金是由成型制造或轧制、拉伸等冷加工获得制品，而热处理型合金是由淬火、时效等处理得到各自规定的强度。对于热处理型合金，为了获得比由热处理所获得的强度还高的强度，往往采用冷加工。另一方面，对非热处理型合金，也可以进行像退火、稳定化处理的热处理。本讲座主要是关于对变形铝合金热处理的讨论。首先，将调质符号做以详细说明，之后，论述结合处理目的的实际热处理工艺和热处理时的注意事项等。2、调质符号的说明在现行的JIS标准中，把规定的调质及其符号列于第1表。符号H是表示由改变材料冷加工度而调正机械性能的标记。同一合金如果比较H1n和H2n，例如H14和H24，在JIS标准中表现为同一值。但是实际上，H14和H24的拉伸强度虽然相同，可是H24的屈服强度稍低，延伸率稍大，成型性也是H24最好。H3n适用于含Mg的3000系及5000系合金。这些合金在冷加工H1n状态，如果长时间放置，屈服强度就稍有降低，延伸率增加。为了防止这种随时间变化的倾向，冷加工后在130～170℃进行热处理，这称之为稳定化处理。在JIS标准中，没有采用美国铝业协会所采用的下述调质类型，这些调质类型即使在我国使用也很方便【2、3】。1)H1n、H2n、H3n的n值采用奇数1、3、5、7。这些数字表示0和H12、H12和H14、H14和H16等各自中间的调质状态，它表明比JIS标准状态分类更细。另外，H19为超硬化状态，它是比通常的H18实行更高的冷加工所得的状态。H111、H311、H321比各自的H11、H31、H32承受较轻的加工硬化，即经过拉伸矫直、矫平机矫正等。H343是改善了含镁量高的Al-Mg系合金H34的抗应力腐蚀开裂性能的符号。具体的处理方法是因合金而异。但实际上，在比过去稳定化处理更高的温度范围内180～275℃，保温一定时间冷却到室温后，强度下降(因为比过去的稳定化温度高，所以强度下降)，为了弥补强度损失，进行10%以上的冷加工。还有，为了防止强度随时间变化，再在130℃左右加热处理数小时。2)相当的热处理符号T的调质类型表示如下：W：为淬火后室温时效的不稳定状态，通常在W后标出时效时间。T1：从高温加工冷却，经室温时效达稳定状态。T7：淬火后，在比得到最高强度所必需的时效温度更高的温度下和比所必需的时效时间更长的时间内，进行稳定化处理的状态。与T6相比牺牲了部分强度。例如，7075-T73【5】改善了7075合金的抗应力腐蚀性能(特别是壁厚方向的)。T76是为了防止剥落腐蚀而进行的热处理。介于中间的符号是T736。T9：经淬火、时效之后进行冷加工的材料。在9的后面附加数字往往表示冷加工程度。T10：经T5处理后，再进行加工硬化的材料。3)此外，对用T3、T4、T6、T8等表示的热处理材料，再进行消除残余应力处理，也用这种热处理符号、。TX51：淬火后经1～3%的永久变形的拉伸矫直而消除残余应力的材料。只做拉伸矫直时，采用TX510表示。拉伸矫直后又进行曲度矫正，而给予微量加工时，用TX511符号表示。最近对飞机也逐渐采用T73510、T73511五位数字符号表示。TX52：淬火后经1～5%永久变形的压缩矫正，以消除残余应力的材料，多用于表示锻件。TX53：淬火后经急剧的温度变化品热变形来消除残余应力的材料。3、提高强度的热处理3.1固溶和淬火处理固溶处理是使起主要硬化作用的合金成分固溶在基体中，随后进行淬火和时效达到必要硬化的处理。典型的时效硬化型铝合金的固溶温度和溶化温度范围列于表2。从表中明显地看出，固溶温度的上限接近熔化温度的下限，所以必须十分注意控制固溶温度。因为固溶处理是以固相间元素的扩散为基础，所以温度越高越有利，可是，如果超过规定的最高温度就有共晶熔化和由此引起材料的物理性能变坏的危险。另外，过分地加热往往会使材料表面产生重气泡。如果固溶处理温度比规定的最低值还低，固溶就不完全，也就得不到最高的机械性能，第1图是2014-T4和T6材料的机械性能随固溶温度而发生相应变化的研究结果，可见获得稳定强度的温度范围比较窄。第3表是变形材料进行固溶处理时所必需的加热保温时间。最短的保温时间是由材料所要求的机械性能来定，断面厚度一增加，保温时间就要加长。用空气炉加热时如果保温时间过长，就增加高温氧化的危险。在盐浴炉或在炉气进行适当调节的空气炉内，保温时间即使为表中所给出数据的数倍也是安全的。包铝制品的保温时间希望控制在能达到所要求的机械性能的最低限度。如果保温时间一长，母材的合金成分就会扩散到包铝层中，而有损于抗蚀性。图1固溶处理温度对2014-T4、2014-T6的机械性能的影响图27075.606及7N01合金淬火速度和所得强度的关系为了把固溶状态保持到室温，必须从固溶温度急速冷却，并在冷却过程中，不发生合金元素的析出。由于合金材料不同，在冷却过程中，有的容易析出，有的不发生析出，我们把这种性质称为淬透性。7075、6061及7178等合金的淬火速度与所获得强度关系的例子示于图2中。以7075为首，2014、2017、2024及7178等高强度合金的淬透性都差，所以实际淬火操作必须特别迅速，并且必须全部浸入足够的水中或循环水中。在淬火完了取出被淬材料时，水温希望不超过38℃。浸水淬火最大转移时间由表4给出。淬火转移时间是指从炉门打开或淬火材料始端露出盐浴到末端浸入水中的时间。淬透性比7N01合金或6061合金好得多的6063合金，即使在空气中冷却，强度下降得也不多，所以，可实现所谓的挤压热处理(后面叙述)。3.2时效和析出处理众所周知，已固溶处理的材料从过饱和固溶体状态发生析出，在此过程中材料的强度增高。析出时效温度为室温的称之为自然时效或低温时效，析出时效温度为高温的称之为人工时效或高温时效。在室温时效时，时效速度慢，不容易达到强度最大值，而在高温时效时，强度达到最大值后发生软化，把这种现象称之为过时效。图3是2014和6061合金高温时效曲线，要根据淬火温度和时间的影响了解淬火后强度的变化。在表5中列出了实用合金析出处理的条件。在一般情况下，Al-Zn-Mg系合金的高温时效温度比Al-Cu-Mg系和Al-Mg-Si系合金的低。图32024、6061合金板材的人工时效条件与强度的关系在实用合金中，当在低温，即在室温时效时，低温时效作为第一段时效，再继续进行高温时效，把高温时效阶段作为第二阶段时效。一般把这种时效过程称之为二阶段时效。工业生产中也正在采用这种时效方法。在图4中列出了7N01合金的实例。Al-Zn-Mg系合金固溶处理温度低，而且淬火时的冷却速度对强度的影响小，室温下的时效硬化效果好，所以作为焊接结构材料被广泛使用，可是，对高于室温时效的材料来说，先在室温放置3～7天后进行高温时效比固溶淬火后立即进行高温时效的材料强度更高。图4相当7N01合金的室温预时效效果一方面是在Al-Mg-Si系合金的情况下，如图5所示，当Mg2Si含量大于一定值时，比淬火后在室温下放置一段时间再进行高温时效，比淬火后立即进行高温时效的强度要高。可是，当Mg2Si含量在大约0.9%以下时，进行预时效的强度好。因而，6061合金最好不进行室温预时效，而6063合金刚好相反。图5Al-Mg-Si系合金成分与预时效效果的关系另一方面是对Al-Cu-Mg系的2024等合金，室温时效所形成的GP区在200℃加热1分钟就恢复到新淬火状态。因此，由于时效硬化所造成的强化了的机械性能又恢复到了固溶后的软化状态。这时可进行复杂的成型加工，之后放置于室温下，就发生再时效硬化。3.3挤压热处理占现有铝挤压材料大部分的6063合金和近年来显露头角的7N01合金等大多数是用挤压热处理方式生产的。挤压热处理是利用合金元素在挤压时可固溶的道理。但是此方法成功与否主要取决于合金的类型和铸锭热处理等。在图6中以图解的形式示出了挤压加工中的温度分布。一般来说，挤压温度都低于合金的固溶极限温度。可是由于加工过程中所产生的热量使模子附近温度升高，因此也可能使析出物重新固溶。为此，挤压之前铸锭的均匀化处理是理所当然的。而在其冷却过程中，形成粗大的析出物，这是不好的方面。另外，为达到挤压温度必须要快速加热。表6示出了6063铸锭于560℃均匀化处理后以不同速度冷却到室温，经感应加热后于480℃挤压的棒材时效后的机械性能。铸锭均匀化处理后随炉冷却，由于析出物过大，挤压时不能充分重新固溶，所以时效后的强度是低的。表7示出的是7N01合金挤压型材的拉伸性能和铸锭是否进行均匀化处理的关系。铸锭经465℃8小时均匀化处理，在430℃挤压后室温时效1个月，或在挤出空冷后于120℃经24小时时效处理的强度与不进行铸锭均匀化处理的相比，其强度都增加约10公斤/毫米2。把挤压材料在465℃固溶处理后，即使做相同的时效处理，这种倾向也不改变。这是由于7N01合金中含的Cu、Mn、Zn等过渡族元素在铸锭均匀化处理过程中弥散地析出，有助于挤压织构组织的形成而获得强化。这就是一般所熟悉的挤压效应。图6挤压热处理与温度分布6063合金或7N01合金挤压出来采用在静止成流动的空气中(风冷)就可进行充分地淬火，所以就省去了挤压后的固溶处理工序，这从经济上看不用说是有利的可是带来了合金淬透性的问题。对6061合金或淬透性更差的2017、2024等合金出模后要立即进入水中，不进行所谓的模淬火(DieQUench)处理，就得不到强度。这种模淬火处理的材料，比正规固溶处理材料的晶粒细小，有更多的挤压织构组织，如果淬火进行得均匀充分，强度就优异。图7是6063合金挤压热处理过程的实例。6063合金在500℃挤压后，在450-200℃之间以约1℃/秒的速度冷却，可得到相当高的强度。然而，6061合金不用5～10℃/秒以上的速度冷却，强度就明显下降。在450-200℃之间的冷却速度如果缓慢，在冷却过程中Mg2Si相就呈大斑点析出来，对随后的时效硬化便不起作用。起主要作用的Mg2Si相越多，再有Cr、Mn、Zn等过渡族元素的添加量越多，在冷却过程中Mg2Si的粗大析出物也就越多，所谓的淬透性也就越不好。图76063合金的挤压热处理周期4、改善加工性能的热处理4.1铸锭的热处理【2.12】铝合金铸锭是由半连续铸造法生产的，所说的热加工之前的均匀化处理，一般是指铸锭在高温下进行长时间加热保温处理。均匀化处理的目的是使合金成分和组织均匀化，使固溶体中过饱和的成分析出，消除内应力等，从而改善铸锭的加工性能。提高最终制品的深冲性和细化晶粒，在工业上已广泛采用这种方法。表8示出了典型的铝合金铸锭均匀化处理条件。但是从经济的角度来看，宁肯提高加热温度来缩短保温时间。一般在质量允许的加些速度范围内进行快速加热。均匀化热处理的温度误差范围要控制在±10℃以内，温度过低，会使最终退火材料的加工性能下降和使晶粒粗大，所以得必须加以注意。温度过高或加热速度过快，就可能发生共晶熔解。在表9中示出了加热速度对各种合金共晶熔解的影响。1)对热加工性能的影响一般情况下，铝合金由于进行均匀化热处理，可以改善加工性能，从而提高了生产率和降低了成本，这在工业上是非常重要的。例如，对Al-4.5%Mg-Mn-Cr系的5083合金来说，为了改善热轧成热挤性能，希望在550℃以下进行充分的均匀化处理，在第10表中给出了均匀化热处理对5083合金临界挤压速度的影响。但是，挤压性能的改善主要与固溶的Mn和Cr的析出有关。*1、A160℃/分，B27