鋁合金熱處理知識(shí)

鑄造鋁合金的金相組織比變形鋁合金的金相組織粗大，因而在熱處理時(shí)也有所不同。前者保溫時(shí)間長(zhǎng)，一般都在2h以上，而后者保溫時(shí)間短，只要幾十分鐘。因?yàn)榻饘傩丸T件、低壓鑄造件

鑄造鋁合金的金相組織比變形鋁合金的金相組織粗大，因而在熱處理時(shí)也有所不同。前者保溫時(shí)間長(zhǎng)，一般都在2h以上，而后者保溫時(shí)間短，只要幾十分鐘。因?yàn)榻饘傩丸T件、低壓鑄造件、差壓鑄造件是在比較大的冷卻速度和壓力下結(jié)晶凝固的，其結(jié)晶組織比石膏型、砂型鑄造的鑄件細(xì)很多，故其在熱處理時(shí)的保溫也短很多。鑄造鋁合金與變形鋁合金的另一不同點(diǎn)是壁厚不均勻，有異形面或內(nèi)通道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形，為熱處理時(shí)不變形或開裂，有時(shí)還要設(shè)計(jì)專用夾具予以保護(hù)，并且淬火介質(zhì)的溫度也比變形鋁合金高，故一般多采用人工時(shí)效來(lái)縮短熱處理周期和提高鑄件的性能。

一、熱處理的目的

鋁合金鑄件熱處理的目的是提高力學(xué)性能和耐腐蝕性能，穩(wěn)定尺寸，改善切削加工和焊接等加工性能。因?yàn)樵S多鑄態(tài)鋁合金的機(jī)械性能不能滿足使用要求，除Al-Si系的ZL102，Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的鑄造鋁合金都要通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)一步提高鑄件的機(jī)械性能和其它使用性能，具體有以下幾個(gè)方面：1）消除由于鑄件結(jié)構(gòu)（如璧厚不均勻、轉(zhuǎn)接處厚大）等原因使鑄件在結(jié)晶凝固時(shí)因冷卻速度不均勻所造成的內(nèi)應(yīng)力；2）提高合金的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，改善金相組織，合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能；3）穩(wěn)定鑄件的組織和尺寸，防止和消除高溫相變而使體積發(fā)生變化；4）消除晶間和成分偏析，使組織均勻化。

二、熱處理方法

1、退火處理

退火處理的作用是消除鑄件的鑄造應(yīng)力和機(jī)械加工引起的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定加工件的外形和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si結(jié)晶球狀化，改善合金的塑性。其工藝是：將鋁合金鑄件加熱到280-300℃，保溫2-3h，隨爐冷卻到室溫，使固溶體慢慢發(fā)生分解，析出的第二質(zhì)點(diǎn)聚集，從而消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到穩(wěn)定尺寸、提高塑性、減少變形、翹曲的目的。

2、淬火

淬火是把鋁合金鑄件加熱到較高的溫度（一般在接近于共晶體的熔點(diǎn)，多在500℃以上），保溫2h以上，使合金內(nèi)的可溶相充分溶解。然后，急速淬入60-100℃的水中，使鑄件急冷，使強(qiáng)化組元在合金中得到溶解并固定保存到室溫。這種過(guò)程叫做淬火，也叫固溶處理或冷處理。

3、時(shí)效處理

時(shí)效處理，又稱低溫回火，是把經(jīng)過(guò)淬火的鋁合金鑄件加熱到某個(gè)溫度，保溫一定時(shí)間出爐空冷直至室溫，使過(guò)飽和的固溶體分解，讓合金基體組織穩(wěn)定的工藝過(guò)程。

合金在時(shí)效處理過(guò)程中，隨溫度的上升和時(shí)間的延長(zhǎng)，約經(jīng)過(guò)過(guò)飽和固溶體點(diǎn)陣內(nèi)原子的重新組合，生成溶質(zhì)原子富集區(qū)（稱為G-PⅠ區(qū)）和G-PⅠ區(qū)消失，第二相原子按一定規(guī)律偏聚并生成G-PⅡ區(qū)，之后生成亞穩(wěn)定的第二相（過(guò)渡相），大量的G-PⅡ區(qū)和少量的亞穩(wěn)定相結(jié)合以及亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相、第二相質(zhì)點(diǎn)聚集幾個(gè)階段。

時(shí)效處理又分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩大類。自然時(shí)效是指時(shí)效強(qiáng)化在室溫下進(jìn)行的時(shí)效。人工時(shí)效又分為不人工時(shí)效、人工時(shí)效、過(guò)時(shí)效3種。

1）人工時(shí)效：把鑄件加熱到150-170℃，保溫3-5h，以獲得較好抗拉強(qiáng)度、良好的塑性和韌性，但抗蝕性較低的熱處理工藝；2）人工時(shí)效：把鑄件加熱到175-185℃，保溫5-24h，以獲得足夠的抗拉強(qiáng)度（即硬度）但延伸率較低的熱處理工藝；3）過(guò)時(shí)效：把鑄件加熱到190-230℃，保溫4-9h，使強(qiáng)度有所下降，塑性有所提高，以獲得較好的抗應(yīng)力、抗腐蝕能力的工藝，也稱穩(wěn)定化回火。 

4、循環(huán)處理 

把鋁合金鑄件冷卻到零下某個(gè)溫度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保溫一定時(shí)間，再把鑄件加熱到350℃以下，使合金中度固溶體點(diǎn)陣反復(fù)收縮和膨脹，并使各相的晶粒發(fā)生少量位移，以使這些固溶體結(jié)晶點(diǎn)陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點(diǎn)處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，達(dá)到提高產(chǎn)品零件尺寸、體積更穩(wěn)定的目的。這種反復(fù)加熱冷卻的熱處理工藝叫循環(huán)處理。這種處理適合使用中要求很精密、尺寸很穩(wěn)定的零件（如檢測(cè)儀器上的一些零件）。一般鑄件均不作這種處理。 

5、鑄造鋁合金熱處理狀態(tài)代號(hào)及含義 

代號(hào)合金狀態(tài)熱處理的作用或目的說(shuō)明 

T1人工時(shí)效 在金屬型或濕砂型鑄造的合金，因冷卻速度較快，已得到一定過(guò)飽和固溶體，即有部分淬火效果。再作人工時(shí)效，脫溶強(qiáng)化，則可提高硬度和機(jī)械強(qiáng)度，改善切削加工性。對(duì)提高Zl104、ZL105等合金的強(qiáng)度有效。 

T2退火 主要作用在于消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力（鑄造應(yīng)力和機(jī)加工引起的應(yīng)力），穩(wěn)定鑄件尺寸，并使Al-Si系合金的Si晶體球狀化，提高其塑性。 對(duì)Al-Si系合金效果比較明顯，退火溫度280-300℃，保溫時(shí)間為2-4h。 

T4固溶處理（淬火）加自然時(shí)效 通過(guò)加熱保溫，使可溶相溶解，然后急冷，使大量強(qiáng)化相固溶在α固溶體內(nèi)，獲得過(guò)飽和固溶體，以提高合金的硬度、強(qiáng)度及抗蝕性。對(duì)Al-Mg系合金為最終熱處理，對(duì)需人工時(shí)效的其它合金則是預(yù)備熱處理。 

T5固溶處理（淬火）人工時(shí)效 用來(lái)得到較高的強(qiáng)度和塑性，但抗蝕性會(huì)有所下降，非凡是晶間腐蝕會(huì)有所增加。 時(shí)效溫度低，保溫時(shí)間短，時(shí)效溫度約150-170℃，保溫時(shí)間為3-5h。 

T6固溶處理（淬火）人工時(shí)效 用來(lái)獲得強(qiáng)度，但塑性和抗蝕性有所降低。 在較高溫度和較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。適用于要求高負(fù)荷的零件，時(shí)效溫度約175-185℃，保溫時(shí)間5h以上。 

T7固溶處理（淬火）加穩(wěn)定化回火 用來(lái)穩(wěn)定鑄件尺寸和組織，提高抗腐蝕（非凡是抗應(yīng)力腐蝕）能力，并保持較高的力學(xué)性能。 多在接近零件的工作溫度下進(jìn)行。適合300℃以下高溫工作的零件，回火溫度為190-230℃，保溫時(shí)間4-9h。 

T8固溶處理（淬火）加軟化回火 使固溶體充分分解，析出的強(qiáng)化相聚集并球狀化，以穩(wěn)定鑄件尺寸，提高合金的塑性，但抗拉強(qiáng)度下降。 適合要求高塑性的鑄件，回火溫度約230-330℃，保溫時(shí)間3-6h。 

T9循環(huán)處理 用來(lái)進(jìn)一步穩(wěn)定鑄件的尺寸外形。其反復(fù)加熱和冷卻的溫度及循環(huán)次數(shù)要根據(jù)零件的工作條件和合金的性質(zhì)來(lái)決定。 適合要求尺寸、外形很精密穩(wěn)定的零件。

三、熱處理工藝 

1、鑄造鋁合金熱處理工藝參數(shù) 

合金代號(hào)熱處理固溶處理時(shí)效處理（保溫后空冷） 

加熱溫度（℃） 保溫時(shí)間（h） 淬火溫度（℃） 加熱溫度（℃） 保溫時(shí)間（h） 

2、熱處理操作技術(shù)要點(diǎn) 

1）熱處理前應(yīng)檢查熱處理設(shè)備、輔助設(shè)備、儀表等是否合格和正常，爐膛各處的溫度差是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)（±5℃）； 

2）裝爐前應(yīng)吹砂或沖洗，應(yīng)無(wú)油污、臟物、泥土，不應(yīng)相混； 

3）形性狀易產(chǎn)生翹曲的鑄件應(yīng)放在專用的底盤或支架上，不答應(yīng)有懸空的懸臂部分； 

4）檢查鑄件性能的單鑄或附鑄試棒應(yīng)隨零件一起同爐處理，以真實(shí)反映鑄件的性能； 

5）在保溫期間應(yīng)隨時(shí)檢查、校正爐膛各處溫度，防止局部高溫或燒化； 

6）在斷電后短時(shí)間不能恢復(fù)時(shí)，應(yīng)將在保溫中的鑄件迅速出爐淬火，等恢復(fù)正常后，再裝爐、保暖和進(jìn)行熱處理； 

7）在硝鹽槽中淬過(guò)火的鑄件，應(yīng)在淬火后立即用熱水沖洗，消除殘鹽，防止腐蝕； 

8）發(fā)現(xiàn)淬火后鑄件變形，應(yīng)立即予以校正； 

9）要時(shí)效處理的零件，應(yīng)在淬火后0.5h內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理； 

10）如在熱處理后發(fā)現(xiàn)性能不合格，可重復(fù)進(jìn)行熱處理，但次數(shù)不得超過(guò)2次； 

11）應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)外形、尺寸、合金特性等制定的熱處理工藝進(jìn)行熱處理。 

3、熱處理缺陷的產(chǎn)生原因和消除與預(yù)防辦法 

缺陷名稱缺陷表現(xiàn)產(chǎn)生原因消除與預(yù)防辦法 

力學(xué)性能不合格退火狀態(tài)δ5偏低，淬火或時(shí)效處理后強(qiáng)度和延伸率不合格。 退火溫度偏低或保溫時(shí)間不足，或冷卻太快；淬火溫度偏低或保溫時(shí)間不夠，或冷卻速度太慢（淬火介質(zhì)溫度過(guò)高）；人工時(shí)效和人工時(shí)效溫度偏高，或保溫時(shí)間偏長(zhǎng)，合金的化學(xué)成分出現(xiàn)偏差。再次退火，提高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間；提高淬火溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，降低淬火介質(zhì)溫度；如再次淬火，則要調(diào)整其后的時(shí)效溫度和時(shí)間；如成分出現(xiàn)偏差，則要根據(jù)具體的偏差元素、偏差量、改變或調(diào)整重復(fù)熱處理參數(shù)。 

變形、翹曲 熱處理后，或之后的機(jī)械加工中反映出來(lái)的鑄件的尺寸、外形變化。 加熱速度或淬火冷卻速度太快（太激烈）；淬火溫度太高；鑄件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理（如兩連接壁的壁厚相差太大，框形結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋太薄或太細(xì)小；淬火時(shí)工件下水方向不當(dāng)及裝料方法不當(dāng)。降低升溫速度，提高淬火介質(zhì)溫度，或換成冷卻速度稍慢的淬火介質(zhì)以防止合金內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纖維等隔熱材料包覆薄壁部位；根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、外形選擇合理的下水方向或采用專用防變形的夾具；變形量不大的部位，則可在淬火后立即予以矯正。 

裂紋 淬火后的鑄件表面用肉眼可以看到的明顯的裂紋或通過(guò)熒光檢查肉眼看不到的微細(xì)裂紋。裂紋多曲折不直并呈暗灰色。 加熱速度太快，淬火時(shí)冷卻太快（淬火溫度過(guò)高或淬火介質(zhì)溫度過(guò)低，或淬火介質(zhì)速度太快）；鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理（兩連接壁壁厚差太大，框形件中間的加強(qiáng)筋太薄或太細(xì)?。谎b爐方法不當(dāng)或下水方向不對(duì)；爐溫不均勻，使鑄件溫度不均勻。減慢升溫速度或采取等溫淬火工藝；提高淬火介質(zhì)溫度或換成冷卻速度慢的淬火介質(zhì)；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包復(fù)石棉等隔熱材料；采用專用防開裂的淬火夾具，并選擇正確的下水方向。 

過(guò)燒 鑄件表面有結(jié)瘤，合金的延伸率大大下降。 合金中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素如Cd、Si、Sb等的含量過(guò)高；加熱不均勻或加熱太快；爐內(nèi)局部溫度超過(guò)合金的過(guò)燒溫度；測(cè)量和控制溫度的儀表失靈，使?fàn)t內(nèi)實(shí)際溫度超過(guò)儀表指示溫度值。嚴(yán)格控制低熔點(diǎn)合金元素的含量不超標(biāo)；以不超過(guò)3℃/min的速度緩慢升溫；檢查和控制爐內(nèi)各區(qū)溫度不超過(guò)±5℃；定期檢查或校準(zhǔn)測(cè)控儀表，確保儀表測(cè)溫、示溫、控溫?zé)o誤。 

表面腐蝕 鑄件的表面出現(xiàn)斑紋或塊狀等與鋁合金鑄件表面的不同色澤。 硝鹽液中氯化物含量超標(biāo)（＞0.5%）而對(duì)鑄件表面（尤其是疏松、縮孔處）造成腐蝕；從硝鹽槽中取出后沒得到充分的清洗，硝鹽粘附在鑄件表面（尤其是窄縫隙、盲孔、通道中）造成腐蝕；硝鹽液中混有酸或堿或鑄件放在濃酸或濃堿四周受到腐蝕。盡量縮短鑄件從爐內(nèi)移到淬火槽的時(shí)間；檢查硝鹽中氯化物的含量是否超標(biāo)，如超標(biāo)，則應(yīng)降低其含量（或濃度），從硝鹽槽中加熱的鑄件應(yīng)立即用溫水或冷水沖洗干凈；檢查硝鹽中酸和堿的含量，如有酸或堿則應(yīng)中和或停止使用；不把鋁合金鑄件放在有濃酸或濃堿的四周。 

淬火不均勻 鑄件的厚大部位的延伸率和硬度低（非凡是其內(nèi)部中心），薄壁部位硬度高（非凡是其表層）。 鑄件加熱和冷卻不均勻，厚大部位冷卻慢，熱透性差。重新作熱處理，降低升溫速度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使厚薄部位溫度均衡；在厚壁部位涂敷保溫性的涂料或包覆石棉等隔熱性材料，盡量使鑄件各部位同時(shí)冷卻；使厚大部位先下水；換成有機(jī)淬火劑，降低冷卻速度。 

四、熱處理設(shè)備、材料 

1、熱處理設(shè)備的主要技術(shù)要求 

1）由于鋁合金淬火和時(shí)效溫度溫差范圍不大（因其淬火溫度接近合金內(nèi)低熔點(diǎn)共晶成分的熔點(diǎn)），故其爐內(nèi)的溫度差應(yīng)控制在±5℃； 

2）要求測(cè)溫、控溫儀表靈敏，以確保溫度在上述誤差范圍內(nèi)； 

3）爐內(nèi)各區(qū)的溫度應(yīng)均勻，差別在1-2℃的范圍內(nèi)； 

4）淬火槽有加熱裝置和循環(huán)裝置，水的加熱和溫度均勻； 

5）應(yīng)定期檢查并更換已污染的冷卻水。 

2、淬火介質(zhì) 

淬火介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)各種熱處理目的或作用的重要因素。淬火介質(zhì)的冷卻速度越高，鑄件冷卻的越激烈（快），金屬組織中α固溶體的過(guò)飽，鑄件的力學(xué)性能也就越好，因?yàn)榇罅康慕饘匍g化合物等強(qiáng)化相被固溶到Al的α固溶體中去了。淬火介質(zhì)按其對(duì)鑄件的冷卻速度的快慢依次為：干冰和丙酮的混合物（-68℃）、冰水、室溫的水、80-90℃的水、100℃的水、經(jīng)霧化過(guò)的水、各種油（菜籽油等）、加熱到200-220℃的各種油、空氣等。 

近年國(guó)內(nèi)研制出來(lái)的鋁合金淬火介質(zhì)的冷卻速度介于水和油之間，如德潤(rùn)寶公司的水溶性淬火液，它可以任何比例與水互溶，其混合比例不同，冷卻速度各異，故很便于根據(jù)淬火對(duì)象調(diào)整其冷卻速度。它淬火之后無(wú)須再進(jìn)行沖洗且表面光潔，對(duì)鑄件無(wú)污染、無(wú)毒害，且能防銹。其主要技術(shù)指標(biāo)是，外觀：淡黃色到黃色粘稠狀均勻液體，密度：1.085-1.1234mg/㎡，粘度Y38：≥154MPa·s，逆熔點(diǎn)：80-87℃，折光n：1.4138-1.4450，臨界冷卻速度：≥260℃/s（450-260℃）。 

德潤(rùn)寶有機(jī)淬火劑水溶液之所以具有淬火特性，其機(jī)理是此溶液在對(duì)工件的淬火過(guò)程中，可在溫度升到一定值時(shí)，從水溶液中析出有機(jī)成分并分解，并在工件的表面形成一層均勻的導(dǎo)電性薄膜，淬火氣泡對(duì)工件是直接作用在此薄膜上，而不是直接作用在工件上，從而降低了形成淬火應(yīng)力的直接捶擊作用，因而減少了工件的變形和裂紋，并且在淬火之后，水溶液冷卻到一定溫度時(shí)，此有機(jī)薄膜又溶于水溶液中，恢復(fù)成原來(lái)的均勻的水溶液狀態(tài)，不妨礙重復(fù)使用效果。

3、測(cè)溫、控溫儀表及材料 

測(cè)溫、控溫儀表的精度不應(yīng)低于0.5級(jí)，熱處理加熱爐應(yīng)配有能自動(dòng)測(cè)暖和控溫的自動(dòng)記錄、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)斷電、復(fù)電的裝置和儀表，爐內(nèi)溫度顯示和控制溫度均勻。 

熱電偶用鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-鎳鋁質(zhì)的直徑為2.0-0.5㎜的偶絲。為提高溫度儀的靈敏度、縮小溫度的波動(dòng)范圍，使用Ф0.5-1.0㎜的上述材質(zhì)的偶絲。并在使用前和使用過(guò)程（每3個(gè)月1次）檢測(cè)、校準(zhǔn)1次。