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1、铝合金淬火工艺一淬火原理挤压铝合金大多数是可热处理强化合金，这些合金挤压后经过固溶热处理和时效，便可提高强度，获得有用的组织和性能。可热处理强化铝合金的显著特点是，其主要合金元素在固态铝中的溶解度随温度升高而大大增加。固溶热处理（或称淬火）通常包括两个步骤，即固溶处理和冷却。第一步是在固溶度曲线温度以上将材料进行热处理形成固溶体，但是温度要低于固相线温度（或共晶温度），热处理所需时间取决于合金中Mg2Si化合物粒子的大小和分布状况以及热处理温度的高低。细小的、高度弥散的Mg2Si化合物粒子比粗大的、聚集的粒子会更快溶解。一定形态的Mg2Si粒子其溶解度随温度的升高而显著提高。第二步是必须使高温
2、下处于固溶状态的合金材料足够快地冷却到室温，以防止Mg2Si的析出，使得合金元素Mg和Si保留在过饱和固溶体中，为时效析出作好准备。二挤压在线淬火合金希望具有需要的特性（1） 固溶度线和固相线之间的温度范围宽, 易于控制制品出口温度所希望的固溶温度范围;（2） 在固溶温度下挤压变形力低, 尽可能减少变形能量和综合温升, 获得较高的允许挤压速度;（3） 淬火敏感性低, 可对各种不同断面制品采用强制风冷而不需采用水淬;（4） 采用风冷时材料具有足够的韧性;（5） 具有符合结构应用的拉伸强度性能三适合挤压在线淬火的合金应具有的条件（1）合金固态溶解度极限与固相线之间范围宽;（2）合金可容许溶质原子(
3、合金元素) 某种程度的分解析出, 而不损害材料的使用性能;（3）合金具有良好的可挤压性, 挤出制品能较好的流出模具到达淬火装置, 使得在模具出口至淬火区之间产生溶质原子(合金元素) 的某些析出很少, 不至于达到不可接受的程度（4） 合金最好具有低的临界淬火速度, 尤其在合金用于生产薄壁复杂型材时可进行空气淬火鉴于迄今为止对现有铝合金特性的了解, 上述条件导致了挤压在线淬火主要局限于Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg系合金，一般认为, 高强度Al-Cu-Mg 系合金(如2024合金) 和超高强度Al-Zn-Mg-Cu系合金(如7075合金) 需要达到最佳的工艺水平才能实现挤压在线淬火。然而,
4、这样高的工艺水平在目前还很难达到, 尽管有报道说这两类合金曾在德国二战期间成功地进行了挤压淬火。 四淬火规程的选择原则1.淬火加热温度原则上可以由相图来确定这类合金的加热温度。淬火加热温度的下限为固溶度曲线，而上限为开始熔化温度。一般进行淬火-时效处理的合金，含合金元素浓度的要求比较严格，容许的波动范围小，例如某些铝合金淬火温度仅容许有23的波动，还要求在加热过程中金属温度能够保证较好的均匀性。因此，淬火加热所采用的设备一般为温度能准确控制以及炉内温度均匀的浴炉和气体循环炉，工件以单片的方式悬挂于炉中，这不仅能保证均匀加热，而且能保证淬火时均匀冷却。当然，对于淬火温度范围较宽的合金，淬火加热就
5、易于控制。淬火时金属内部会发生一系列物理-化学变化，除最主要的相态变化外，还会产生再结晶、晶粒长大以及与周围介质的作用等，这些变化对淬火后合金的性能都会带来影响。在确定淬火温度时，应根据不同合金的特点予以考虑。例如，在不发生过烧的前提下，提高淬火温度有助于时效强化过程，但某些合金在高温下晶粒长大倾向大，则应限制最高的加热温度。过烧是淬火时易于出现的缺陷。轻微过烧时，表面特征不明显，显微组织观察到晶界稍变粗，并有少量球状易熔组成物，晶粒亦较大。反映在性能上，冲击韧性降低，腐蚀速率大为增加。严重过烧时，除了晶界出现易熔物薄层，晶内出现球状易熔物外，粗大的晶粒晶界平直、严重氧化，三个晶粒的衔接点呈黑
6、三角，有时出现沿晶界的裂纹。在制品表面，颜色发暗，有时也出现气泡等凸出颗粒。2.淬火加热保温时间保温的目的在于使相变过程能够充分进行（过剩相充分溶解），使组织充分转变到淬火需要的形态。在工业成批生产的条件下，保温时间应当自炉料最冷部分达到淬火温度的下限算起。保温时间的长短，主要取决于成分、原始组成及加热温度。温度越高，相变速率越大，所需保温时间越短。材料的预先处理和原始组织（包括强化相尺寸、分布状态等）对保温时间也有很大影响。通常，铸态合金中的第二相较为粗大，溶解速率较小，它所需要的保温时间远比变形后的合金为长。就同一变形合金来说，变形程度大的要比变形程度小的所需时间短。退火状态合金中，强化相
7、尺寸较已淬火-时效后的合金粗大，故退火合金状态合金淬火加热保温时间较重新淬火保温的时间长得多。保温时间还与装炉量、工件厚度、加热方式等因素有关。装炉量越多、工件越厚，保温时间越长。浴炉加热比气体介质加热速度快，时间短。为获得细晶粒组织并防止晶粒长大，在保证强化相全部溶解的前提下，尽量采用快速加热及短的保温时间是合理的。3.淬火速度合金淬火时的冷却速度必须确保过饱和固溶体被固定下来不分解防止强化相的析出，降低淬火时效后的力学性能。因此淬火时的冷却速度越快越好。但是冷却速度越大，淬火制品的残余应力和残余变形也越大，因此冷却速度一般要根据不同的合金和不同形状、尺寸的制品来确定。合金的淬火敏感性越强，
8、选择的淬火冷却速率就越大。如2A11、2A12铝合金淬火冷却速率应在50/s以上，而7A04铝合金对冷却速率非常敏感，其淬火速率要求在170/s。五.淬火应力工件在淬火介质中迅速冷却时产生热应力，从而导致材料产生不均匀变形。对于铝合金厚板（厚度=6mm），尤其是超厚板（厚度=50mm），淬火应力问题更加突出。淬火后的残余应力会影响到材料的力学性能，如抗应力腐蚀性能、断裂韧度和抗疲劳性能等。如果淬火制品需要进行切削加工处理，可能会影响到淬火应力的亚稳平衡，使淬火制品产生扭拧、翘曲和弯折等缺陷。合金在淬火冷却过程中工件内沿截面产生一定的温度梯度，表面温度低，心部温度高，表面和心部存在温度差。温度梯
9、度对淬火应力的大小有着重要的影响，而影响温度梯度的淬火工艺因素主要有淬火加热温度、淬火速度、工件截面尺寸和工件截面形状。为了减少淬火后合金的残余应力，应该适当降低淬火冷却速率以减小温度梯度。这种做法对于复杂截面、壁厚差较大的型材特别重要。较为普通的方法就是将淬火介质水的温度提高至60-80，也可采用等温淬火和中断淬火技术，或者采用液氮和某些有机介质进行淬火，这样可使工件缓和均匀地冷却，可明显的减小不均匀变形和淬火应力。但是对于淬火敏感的合金，当淬火冷却速度下降到一定程度时。合金时效后的力学性能就会不达标，因此在保证合金力学性能的前提下适当减小淬火冷却速率是减小淬火应力的有效办法。六.淬火敏感性
10、淬火敏感性反应的是淬火冷却速率与时效强化效果的相关性，涉及到材料高温状态向低温状态转变的动力学理论。对于无多型性转变的扩散型相变材料，如果合金的淬火敏感性越高，说明合金经固溶处理后形成的过饱和固溶体的稳定性就越低，合金就越能在较高的淬火冷却速率条件下将过饱和形式从固溶温度固定至室温。有关研究表明，淬火敏感性产生的原因是因为合金经缓冷时发生平衡相的脱溶析出，这样不但降低了合金的过饱和度，而且在时效过程中长大，吸收周围的溶质原子产生贫溶质区，抑制了GP区和亚稳相的脱溶析出，最终减弱了合金时效强化效果。1.淬火敏感性机理众所周知，7000 系铝合金的高强度和高硬度主要是通过时效于铝基体中析出高密度纳
11、米级沉淀强化相(MgZn2)来实现的。一般而言，相越细小、体积分数越高，合金的强度越高。相的体积分数受到合金元素 Zn 和 Mg 含量的影响，Zn 和 Mg 的含量越高，相的体积分数越高。7000 系铝合金在固溶处理后，需快冷至室温，以将合金元素 Zn、Mg 和 Cu 元素“冻结”在 Al 基体中，形成过饱和固溶体，为时效调控性能奠定基础。淬火过程中过饱和固溶体不稳定，当小于临界冷却速率时，会发生分解而在晶内和(亚)晶界上析出平衡相(通常为 (MgZn2)相)，如图1 所示。这些相尺寸较大，几乎没有强化效果，同时消耗了很多的 Zn、Mg 合金元素，大大降低了 Al 基体中溶质原子浓度和空位浓度
12、。溶质原子浓度的降低导致时效后基体中可形成的 强化相的体积分数大大减小，而且平衡相周围存在无沉淀析出带(PFZ)；空位浓度的减小降低了沉淀强化相的弥散程度、增加了尺寸，从而导致合金的强度和硬度降低。这通常被认为是合金强度和硬度淬火敏感性产生的主要原因。淬火速率减小促使晶界及亚晶界上粗大平衡相的析出，增加了晶界第二相的尺寸和覆盖率以及晶界无沉淀析出带(PFZ)宽度，提高了合金变形时沿晶和沿亚晶断裂的比例和腐蚀环境下沿晶侵蚀速率，从而降低合金时效后的韧性、塑性及抗晶间、剥落等腐蚀能力。2.影响淬火敏感性高低的因素回顾以往的研究可以发现，影响 7000 系铝合金淬火敏感性的因素主要包括化学成分、制备
13、工艺及微观组织，而化学成分和制备工艺又会影响微观组织，下面对此进行了总结。2.1 合金元素的影响7000 系铝合金中主要包括了主合金元素 Zn、Mg和 Cu，微合金化元素 Cr、Mn、Zr 和 Sc 等，以及杂质元素 Fe 和 Si，其含量和比例对合金的淬火敏感性都有影响。（1） 主合金元素Zn 和 Mg 是主要的合金元素，其添加可形成 等强化相，一般而言，合金元素总含量越高，固溶后溶质原子浓度升高，增加了冷却时固溶体的分解倾向，增加合金的淬火敏感性。Zn、Mg 和 Cu 元素含量增加通常都会提高合金的淬火敏感性。DENG等通过末端淬火实验研究了Mg含量对7085型铝合金淬火敏感性的影响，结果
14、表明合金中 Mg 含量为1.0%、1.4%和 2.0%(质量分数)时，其淬透层深度分别为 100 mm 以上、65 mm 和 40 mm，因此，该合金的淬火敏感性随 Mg 含量的增加而增加。Mg 含量的增加会降低其它主要元素在铝中的溶解度，MgZn2相析出的驱动力增大，析出的峰值温度提高，温度变化区间也增大，因而淬火敏感性增加。添加 Cu 元素会增加淬火敏感性，这是因为 Cu 会降低 Zn 和 Mg 在铝基体中的溶解度，并提高过饱和度。在 Zn、Mg、Cu 3 种元素中，BRYANT和 LI 等认为 Cu 元素对淬火敏感性的影响最大，其次是 Mg 和 Zn，但GARCIA-CORDOVILLA
15、 和 LOVIS根据 Zn 和 Cu对固态相变的影响认为Cu和Zn对淬火敏感性的影响相当，刘文军认为 Mg 元素对淬火敏感性的影响最显著。在总含量相当时，调整 Zn、Mg、Cu 3 种元素之间的比值可改变合金的淬火敏感性。如 B95 合金的淬火敏感性会因 w(Zn)/w(Mg)比值增加而减小，降低 Cu+Mg 总量和提高 w(Zn)/w(Mg)比值可显著降低7175 铝合金的淬火敏感性w(Zn)/w(Mg)比值增加可推迟固溶体的分解。从表 1 中一些低淬火敏感性合金的化学成分变化可知，Zn 含量呈上升的趋势，Mg和 Cu 含量呈下降的趋势，w(Zn)/w(Mg)比值整体呈上升的趋势，这说明这些
16、成分的调整是有利于淬火敏感性的降低。但 Zn 含量上升会增加合金的密度，如 7050铝合金的密度约 2.83 g/cm3，而 7085 的约 2.85 g/cm3，这对航空构件的轻量化不利。因此，在主合金元素影响淬火敏感性的规律及影响机理方面仍需开展更深入、系统的工作，为研发低密度、低淬火敏感性铝合金奠定基础，满足航空工业轻量化发展的需求。（2）微合金化元素在 7000 系铝合金中微合金化元素通常有 Cr、Mn、Zr、Sc 等，其主要目的是提高合金的再结晶温度，阻碍热变形和随后固溶处理时再结晶的发生，细化晶粒，从而改善合金的性能。Cr 和 Mn 可加速固溶体的分解，提高合金淬火时的临界冷却速率，增加淬火敏感性；相比之下，Zr 可保持 Zn、Mg 和 Cu 在铝固溶体中的稳定性，减小淬火敏感性，提高半成品的淬透性。在 7000 系铝合金中采用 Zr 代替 Mn 和
