铝合金的热处理1340602405陈仕博

金属热处理铝合金及其热处理陈仕博1340602405铝及铝合金概述（１）用量仅次于钢，地壳中储量第一；（２）铝的性能：力学、电学；（３）铝与航空工业；（４）人们一直在努力提高铝合金的性能，例如日本的超级铝项目，提高铝合金的纯度，使用变形热处理和粉末冶金工艺提高铝合金的性能，等等。铝的电解生产技术铝合金的消费量是仅次于钢铁的金属材料。门窗、铝灌、汽车，等等。铝代替合金钢后，可减少Cu、Cr、Ni等元素的消耗。铝生产的问题：耗能大，每吨铝耗能是钢的4.5倍；污染物排放大，如排放CO2是钢的7-9倍。

加入NaF、Al2F6、LiF、CaF2、MgF2

调节电解质温度，降低900℃以下，每降100℃，节电1.5kw.h。电解槽超大型化发展阳极（石墨）阴极（石墨）熔盐NaFAl2F6LiFCaF2MgF2

电解铝示意图CO2HFC铝电解烟气净化

阳极消耗，生成CO2。电解槽中还经常挥发出气态氟化物（HF）。目前常用的净化烟气的方法：干法净化，利用氧化铝吸附氟化物。但干法净化法无法吸收二氧化碳。铝电解用新材料（1）惰性阴极材料传统电解槽的问题：铝液与炭块润湿性不好，不能有效接触，影响电流效率。在电解过程中实际上是铝液与炭块一起构成阴极。在电磁力的作用下，铝液不断波动，电能耗增加。另外，冰晶石和铝液渗入炭块，使之膨胀破坏。可润湿惰性阴极的优点（1）新型槽的阴极上不需要厚的铝液层，磁场的作用几乎降到零，铝液面保持平整；（2）极距大为降低；（3）极距降低减少电能消耗，极距降低1cm，可节电1000kWh/t(Al)；（4）延长电解槽的使用寿命。TiB2惰性阴极材料目前认为，TIB2是唯一在铝液中溶解度很小、导电率高、能被铝液润湿的材料。可润湿阴极的优点：极距降低1厘米，可节电1000kwh/t(Al)。硼化钛涂层及硼化钛复合材料阴极（1）硼化钛涂层阴极涂料成分：TiB230%~60%，炭素填料18％～40％，有机树脂20％～35％。涂层工艺：刷涂。涂层效果：涂层对铝液润湿性好，可阻挡电解质对炭块的渗透，延长阴极使用寿命；降低电阻率50％，提高电流密度，降低能耗。（2）硼化钛复合阴极材料成分：TiB2粉、炭素填料、粘结剂。制备工艺：炭素块表面预先处理，TiB2复合粉料置于炭素块表面，之后压制成形，最后烧结。使用效果：阴极润湿性好，电耗降低188kWh/t(Al)，电解槽寿命提高2年。惰性阳极材料惰性铝电解用阳极材料自上个世纪50年代开始研究，几经起伏，主要困难是没有合适的电极材料。惰性阳极材料必须具备的性能：（1）1000℃以上耐熔融氟化物的侵蚀；（2）良好的导电性；（3）良好的抗热振性。惰性阳极材料的具体性能要求（1）导电率大于现有炭阳极；（2）腐蚀率小于100mm/n，寿命大于5年；（3）铝质量等于或优于现有铝质量，不含Be、Cr等有害环境的元素。使用惰性阳极的意义（1）阳极无CO2排出，只有O2；（2）阳极不消耗，无需更换，电解槽全密封；（3）能耗下降4％～23％。有希望的惰性阳极材料金属氧化物陶瓷：金属阳极表面CeO2涂层NiO-NiFe2O4+CuAg铝的合金化纯铝的强度低，通过添加合金元素提高铝的强度。主要强化方法：固溶强化，沉淀强化。Zn、Ag、Mg在铝中的溶解度大于10%；Zn、Ag固溶效果差。Cu、Li、Mn、Si在铝中的溶解度大于1%；Al-Mg合金固溶强化效果好，防锈铝合金；Al-Cu耐热性好；Al-Si铸造性能好。沉淀强化获得明显沉淀强化效果的条件：（１）合金元素溶解度高，随温度变化明显；（２）析出相均匀、弥散，与基体之间形成共格或半共格的关系时强化效果明显。典型的沉淀硬化铝合金Al-Cu合金是唯一获得明显沉淀强化效果条件的二元铝合金。多数沉淀强化铝合金组元数都在三元以上，为的是形成新的强化相。Al-Zn-Mg，强化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3Al-Mg-Si，强化相：Mg2SiAl-Cu-Mg，强化相：CuAl2、Al2CuMg铝合金的细晶强化细化晶粒、细化亚结构能使铝合金的强度提高约10~30%。

为了使制品在热处理后保留未再结晶的纤维状组织，通常加入少量过渡族元素（Mn、Cr、Zr、Ti）提高再结晶温度。晶粒直径为微米级的细晶铝合金可产生超塑性。例如Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn，伸长200%不发生晶粒长大。铝合金的热处理原理铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效。退火的主要目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性。时效的目的主要是提高铝合金的强度。Al-Cu合金的时效

Al-Cu合金放入干冰（-78℃）中固溶处理，抗拉强度为200MPa左右，长期在干冰中存放，性能无变化。从干冰中取出在室温存放，２小时后开始硬化，放置８天硬度达到最大值。50℃存放，２天后硬度达到最大值。自然时效与人工时效的概念自然时效：将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于100℃温度的环境下，由于停留时间的增加硬度和强度增高的现象，称为自然时效。人工时效：100℃以上温度造成的时效称为人工时效。Al-Cu合金的时效过程（１）GP区的形成为什么先形成GP区？GP区无独立的晶体结构，与母相完全共格，在与GP区垂直的晶向上产生弹性收缩。GP区厚：几个原子。直径：10nm。GP区间距：2-4nm。AlCu25.65%Al-Cu合金相图GP区模型，Cu原子在Al的{100}面上偏聚（２）θ″生成时效温度升高，GP区直径急剧长大。Cu、Al原子逐渐形成规则排列，形成正方有序结构。a=b=4.04Ǻ（Al：4.05Ǻ）。

c轴7.68Ǻ，比Al晶格常数的２倍（8.08Ǻ）略小，c轴产生4%的错配度，晶格畸变增大，强度升高。（３）θ′的生成

200℃12小时时效，生成θ′。正方点阵a=b=4.04Ǻ，c轴5.80Ǻ，名义成分CuAl2，与基体局部失去共格，应力场减小。合金硬度、强度下降，开始进入过时效阶段。Al-Cu合金中θ″、θ′及θ相的晶体结构（４）θ相生成进一步提高温度和延长时效时间，θ′转变成θ（CuAl2）。θ相属于体心正方点阵，与基体失去共格关系，合金强度和硬度明显降低。α过饱和→GP区→θ″过渡相→θ′过渡相→θ（CuAl2）有时上面几相可能同时存在。铸造铝合金铝合金是最重要的工业结构材料之一，铸造铝硅合金是在航空航天、机械、电子等工业中大量应用的重要结构材料，凝固组织特别是共晶硅的生长形态对其性能具有决定性影响，凝固过程控制、细化凝固组织、改变共晶组织生长形态，是控制铸造铝硅合金性能的重要措施。主要的铸造铝合金（１）Al-Si、Al-Si-Mg系，强度中等，常温使用，适合铸造复杂形状零件，常用。（２）Al-Cu，热强性好，工作温度高，铸造工艺性好，抗腐蚀性较低。（３）Al-Mg，强度高，切削性能好，耐蚀性、铸造性较差。（４）Al-Re，耐热性好，铸造工艺性好，室温强度低。（５）Al-Zn，有自淬火性，可直接自然时效。比重大，耐热性较差。Al-Mg二元合金相图铸造铝合金的编号铸造铝合金采用“铸铝”二字汉语拼音字头ZL表示，其后有三个数字，第一个代表合金系，其余为合金顺序号。例如：ZL102，表示Al-Si系第一号铸铝。Al-Si系合金的牌号及主要成分合金牌号主要成分，%SiMgMnCuAlZL-1016.0~8.00.2~0.4__余量ZL-10210.0~13.0___余量ZL-1034.5~5.50.35~0.60.6~0.91.5~3.0余量ZL-1048.0~10.50.17~0.30.2~0.5_余量ZL-1054.5~5.50.35~0.6_1.0~1.5余量Al-Si合金相图Al-Si系合金的铸造及其变质处理

Al-Si二元合金共晶体中，硅呈粗大针状，严重影响合金的性能，不能作为工业合金使用。直至1921年发现了变质处理方法，改变了硅的形状，提高了合金的性能，Al-Si合金才得到广泛应用。一般硅大于6%的铸造铝合金都要求在合金精炼后进行变质处理。未变质的(a)和变质处理后的(b)Al-12%Si合金组织×500(a)(b)常用变质剂及变质处理方法二元变质剂：2/3NaF+1/3NaCl三元变质剂:25%NaF+62%NaCl+13%KCl变质处理的方法是：将预热过的变质剂撒入合金液面上，保持10~12分钟至变质剂熔化。此时应不断地打碎硬壳使气体排除，并将碎硬壳压入合金液面下约100~150毫米，时间约3~5分钟。变质处理的机理

关于变质机理，目前尚无完全统一解释，比较流行的是吸附理论：硅在铝内的晶体具有大量孪晶，硅晶体是以孪晶的方向生长的，最后形成粗大的针状形态。加钠以后，形成大量（NaAl）Si2的结晶核心与铝形成共晶，使共晶成分产生偏移。同时，钠破坏了孪晶的角度，使硅的晶体不易生长，此外，硅晶体与铝的界面上也分布有钠，阻碍了硅的生长，因而硅以球状的方式长大。Al-Si合金的热处理：

虽然硅在α固溶体中随温度下降有明显的固溶度变化，但ZL-102合金热处理强化效果不大。这是因为硅的沉淀和集聚速度很快，甚至在淬火过程中都可能发生固溶体的分解，析出硅质点，而不形成共格或半共格的过渡相。因此生产上ZL-102合金一般只进行退火：300±10℃，保温2-4小时空冷或随炉冷却。其典型性能为：σb=160Mpa，σ0.2=90MPa，δ=5.0%，HB=50。

除了ZL-102，其它牌号的铝合金在使用前一般都需进行淬火和时效处理，淬火温度一般在515-535℃,保温时间2-6小时，淬火冷却介质为20-100℃的水。时效处理加热温度一般为150-300℃，加热时间为2-5小时，一般采用空冷。合金牌号热处理状态淬火时效（回火）加热温度℃保温时间小时冷却介质及温度℃加热温度℃保温时间小时冷却介质ZL101T2___300±102-4空冷/炉冷T4535±52-620-100，水---T5535±52-620-100，水150±52-4空冷T6535±52-620-100，水200±53-5空冷T7535±52-680-100，水225±53-5空冷T8535±52-680-100，水250±53-5空冷ZL-102T2---300±102-4空冷/炉冷ZL-103T1---175±53-5空冷T2---300±102-4空冷T5515±53-620-100，水175±53-5空冷T7515±53-620-100，水230±103-5空冷T8515±53-62