金属热处理-铝合金的热处理.

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1、金属热处理 铝合金及其热处理 铝及铝合金概述 （）用量仅次于钢，地壳中储量第一 ； （）铝的性能：力学、电学； （）铝与航空工业； （）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

2、 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 NaF Al2F6 LiF CaF2 MgF2 电解铝示意图 CO2 HF C 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

3、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2035。 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

4、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

5、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423。 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-C

6、u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： （）合金元素溶解度高，随温度变化 明显； （）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、Al2Mg3Zn3 Al-Mg-Si，强化相：Mg2Si Al-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1030%。 为了使制品在热处理后保留未再

7、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，小时 后开始硬化，放置天硬度达到最大 值。 50存放，天后硬度达到最大值。 自

8、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 （）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。 AlCu2 5.65% Al-Cu合金相图 GP区模型，Cu原子在Al的100面上偏聚 （）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

9、序结构。a=b=4.04（ Al：4.05）。 c轴轴7.68，比Al晶格常数的倍（ 8.08）略小，c轴产轴产 生4%的错错配度 ，晶格畸变变增大，强度升高。 （）的生成 20012小时时效，生成。正方 点阵a=b=4.04， c轴轴5.80，名义义成 分CuAl2，与基体局部失去共格，应应力 场场减小。合金硬度、强度下降，开始 进进入过时过时 效阶阶段。 Al-Cu合金中、 及相的晶体结构 （）相生成 进一步提高温度和延长时效时间， 转变成（CuAl2）。 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。 过饱 过饱 和 GP区 过渡相 过渡相 （CuAl2） 有时上面

10、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 （）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。 （）Al-Cu，热强性好，工作温度高，铸造 工艺性好，抗腐蚀性较低。 （）Al-Mg，强度高，切削性能好，耐蚀性 、铸造性较差。 （）Al-Re，耐热性好，铸造工艺性好，室 温强度低。 （）Al-Zn，有自

11、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，% SiMgMnCuAl ZL-1016.08.00.20.4_余量 ZL-10210.013.0_余量 ZL-1034.55.50.350.60.60.91.53.0余量 ZL-1048.010.50.170.30.20.5_余量 ZL-1054.55.50.350.6_1.01.5余量 Al-

12、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1012分钟至变质剂 熔化。此

13、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100150 毫米，时间约35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

14、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：30010，保温2-4小时空冷或随炉冷却 。其典型性能为：b=160Mpa， 0.2=90MPa ，=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。 合金牌号热处热处 理 状态态 淬火时时效（回火） 加热热温度 保温时间时间 小时时

15、冷却介质质及 温度 加热热温度 保温时间时间 小时时 冷却介质质 ZL101 T2_300102-4空冷/炉冷 T453552-620-100，水- T553552-620-100，水15052-4空冷 T653552-620-100，水20053-5空冷 T753552-680-100，水22553-5空冷 T853552-680-100，水25053-5空冷 ZL-102T2-300102-4空冷/炉冷 ZL-103 T1-17553-5空冷 T2-300102-4空冷 T551553-620-100，水17553-5空冷 T751553-620-100，水230103-5空冷 T851553-620-100，水330103-5空冷 ZL-104 T1-17555-10空冷 T653553-520-100，水17555-10空冷 ZL-105 T152553-520-100，水18055-10空冷 T552553-520-100，水18055-10空冷 T652553-520-100，水20053-5空冷 T752553-