鋁合金時效工藝

1、、時效方法鋁合金和鋼鐵不同，淬火以后的變形鋁合金不能立即強化。它得到的是一種過飽和固溶體組織。這種過飽和固溶體不穩(wěn)定，它有自發(fā)分解的趨勢。在一定的溫度下，保持一定的時間，過飽和固溶體發(fā)生分解（稱為脫溶），引起鋁合金強度和硬度大幅度提高，這種熱處理過程稱之為時效。在室溫下自然停放一定的時間，鋁合金強度及硬度提高的方法稱為自然時效。入為的將鋁合金制品在高于室溫下的某一溫度，保溫一定的時間，以提高鋁合金強度及硬度的方法稱入工時效。對于Al-Mg-Si系的6063合金而言，自然時效進行得非常緩慢，在室溫下停留半個月，甚至更長的時間，也達不到最佳的強化效果，比入工時效的強化效果要差30%-50%所以一般

2、都采用入工時效。含有主要強化相MgSi、MgZ而AlzMgZns的合金、都只有進行入工時效才能獲得最高的強度。含有主要強化相CuAl2和S（A%CuMg）等相的合金，采用自然時效和入工時效兩種方法都可以。如2A11和2A12合金采用自然時效和入工時效都可以獲得最佳強化效果。究竟采用哪種時效方法，這需要根據(jù)合金的本性和用途來決定。一般在高溫下工作的變形鋁合金多采用入工時效，而在室溫下工作的變形鋁合金宜采用自然時效。、時效強化機理鋁合金的時效強化理論，有很多種說法。如彌散硬化理論、滑移干擾理論、溶質(zhì)原子富集成強化或硬化區(qū)理論等。目前普遍認為時效強化或硬化是原子富集形成強化區(qū)的結(jié)果。經(jīng)科學(xué)實驗證實，

3、用X射線方法對鋁合金過飽和固溶體分解動力學(xué)研究和通過電子顯微鏡對薄膜透射觀察，看到中間過渡析出階段（硬化區(qū)）的數(shù)量、大小、形狀和分布特點，描繪了硬化區(qū)的形象，揭示了鋁合金時效硬化現(xiàn)象的實質(zhì)。但時效硬化是一個非常復(fù)雜的問題，與合金的成分、時效工藝、生產(chǎn)過程中的加工狀態(tài)都有關(guān)系，目前對時效的認識還不十分徹底。下面僅介紹硬化區(qū)理論。鋁合金在淬火加熱、快速冷卻時，形成過飽和固液體。過飽和固溶體有從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。而在過飽和固溶體快速冷卻過程中，合金中的大量空位也被“固定”在晶體中，這些空位的存在加速了溶質(zhì)原子的擴散速度，促使溶質(zhì)原子的富集。這些溶質(zhì)原子富集區(qū)，開始形成時是無序的，這

4、種無序的富集區(qū)稱GPI分區(qū)。隨著溫度的升高和時間的延長，這些富集起來的溶質(zhì)原子，逐漸有次序的排列起來，這種有序的富集區(qū)稱之GPI區(qū)。GP區(qū)的大小、數(shù)量決定于淬火溫度和冷卻速度。淬火加熱溫度越高，空位濃度越大，GP區(qū)的數(shù)量增加，GP區(qū)的尺寸減小。冷卻速度越大，固溶體內(nèi)的固定的空位越多，有利于增加GP區(qū)的數(shù)量，減小GP區(qū)的尺寸。當(dāng)時效溫度繼續(xù)升高，或時間延長時，那些大于臨界尺寸的GPQ區(qū)發(fā)生長大，形成過渡相8'（或B'）,8'相的化學(xué)成分與穩(wěn)定相8（CuA12）相同，與母體保持有共格關(guān)系，有效阻礙了金屬晶體的變形，因而大大提高了金屬的強度。當(dāng)溫度進一步升高或時間進一步延長時

5、，過渡相8'（或B'）變成了8（CuA12）相，這時的9相完全脫離了母相，并有自己獨立的品格。這時合金的強度已超過最大值，開始下降，稱為過時效?？傊辖鸬臅r效過程是過飽和固溶體的分解脫溶過程，具有一定的順序：先形成GPI區(qū)，GP區(qū)的有序化形成GPtI區(qū)，形成過渡相8'（或B'）,最后形成平衡相。脫溶時為什么不直接形成平衡相？這是由于平衡相一般與基體形成新的非共格界面，界面能大，而亞穩(wěn)定的脫溶產(chǎn)物9'相與基體完全或部分共格，界面能小。相變初期新相的比表面大，因而界面能起決定作用。界面能小的相，形功小，容易形成。所以首先形成形核功最小的過渡相，再演變成平衡穩(wěn)

6、定相。不同合金系脫溶序歹J不一定相同。如AlCu系合金可能出現(xiàn)兩種過渡相礦8及8'而大部分合金只存在一種過渡亞穩(wěn)定相，表355為幾種合金系的脫溶序列。表3-5-5主要鋁合金系的脫溶序列合金系脫溶序列及平衡脫溶相A1CuA1AgA1ZnMgAl一MGSiA1CuMgGP區(qū)(盤狀)-8"-8'9(CuAl2)GP區(qū)(球狀)-YfY(AlAg2)GP區(qū)(球狀)(MgZn2)T'fT(A1zMgZn3)GP區(qū)(桿狀)-p-P(MG2Si)GP區(qū)(桿或球狀)-S'fS(AlzCuMg)圖3-5-6表明AlCu合金在130c時效硬度和結(jié)構(gòu)的變化情況。由圖可知：時效

7、各階段順序并不是截然分開的，而是在前一階段尚未結(jié)束時，后一階段則已經(jīng)開始。同時也可以看出時效硬化的主要結(jié)構(gòu)是GPI區(qū)和GRI區(qū)，時效硬度最高峰在GPtI區(qū)末期和過濾相9'的初期。當(dāng)大量出現(xiàn)平衡相9時，軟化明顯，說明過時效發(fā)生。q«,三'百=工，i或iki.t-GPI區(qū)-GP11區(qū)140120100X040o(nrororoo時效時間/天圖3-5-6A1Cu合金在130c時效硬度及結(jié)構(gòu)變化圖、6063合金的入工時效工藝6063合金的時效工藝比較成熟，一般選擇加熱保溫溫度為170220C,保溫l8h。時效溫度低則保溫時間長，選擇較高的時效溫度，則保溫時間相應(yīng)縮短。對于不同

8、企業(yè)來說，時效爐的加熱方式、爐子的形狀、大小、溫差各不相同。因此選擇最佳的時效工藝，最好通過實驗來確定。例如切取一批6063合金擠壓制品的時效試樣，按溫度不同分成若干組，在每一個溫度下，又分為不同的保溫時間，進行時效試驗。然后將試樣分別測定抗拉強度，不同溫度、不同保溫時間測得的抗拉強度值列于表3-5-6中。最后將表中數(shù)據(jù)繪成時效硬化曲線。如圖357所不由圖可知：時效溫度為180c時，達到6063合金國家標準的抗拉強度的保溫時間要4h以上；時效溫度為190c時，則需要2.5h以上；時效溫度為200c時，則只需要1h就可以了。目前各個企業(yè)多數(shù)采用下面三個不同的時效工藝：1) 時效溫度180

9、7;5C,保溫48h;2) 時效溫度190±5,保溫36h;3) 時效溫度200±5C,保溫1.53h。保溫時間的選擇應(yīng)根據(jù)鋁型材的壁厚和裝料的緊密程度來決定。一般壁厚1.2mm以下時取下限保溫時間，壁厚在5.0mm以上取上限保溫時間。在其中間的壁厚選擇上、下限保溫時間的適當(dāng)時間。如裝爐量少，裝料稀疏可以選偏下限的保溫時間；裝爐量多，且擺放致密應(yīng)選偏上限的保溫時間。從表356和圖357可知：時效溫度相差10C,同一保溫時間下制品的強度相差較大，說明鋁合金的時效效果對溫度十分敏感，為保證制品性能的均勻性和穩(wěn)定性，對時效爐的溫差要求較嚴。一般應(yīng)在土5c的范圍內(nèi)，最好能控制在&#

10、177;3C。表356不同溫度、不同保溫時間試樣的強度值/MPa任度/C時間/h11.52.O2.53.04.05.06.O7.08.016014414715015215415615916517014514815015315615816016316818014615115315615916216717117817919015015516116416716917217818017920016016517117817817717617321016316817417817717501L5202,5345678時間/h圖357時效硬化曲線四、其他工業(yè)鋁型材的時效工藝其他工業(yè)鋁材的擠壓鋁合金有一部分是可

11、以自然時效的。根據(jù)不同合金的特點，自然時效的時間長短不同。一般自然時效的合金，淬火后在室溫放置四晝夜均可以達到最大的力學(xué)性能，自然時效效果最明顯是在24h之內(nèi)，通常在48h之內(nèi)可以基本完成時效強化過程。圖3-5-8和網(wǎng)3-5-9可以看出自然時效時間對力學(xué)性能的影響。淬火加熱溫度：刖0。淬火保盤時間:如Ein圖3582A11合金機4mm棒材自然時效保溫時間對力學(xué)性能的影響600350E1MO0244872192肘效時間外群火加熱溫度；500匕,保溫時冏：40min圖3592A12合金615mm|$材自然時效保溫時間對力學(xué)性能的影響需要人工時效的合金，淬火后為防止“停放效應(yīng)”引起時效后力學(xué)性能降低

12、的現(xiàn)象，應(yīng)盡快將擠壓淬火制品進行人工時效。一般在室溫下停放時間不應(yīng)超過24h0人工時效工藝最好按上節(jié)所介紹的方法，通過試驗來確定人工時效工藝。其他工業(yè)鋁合金的人工時效工藝可參考表357。表3-5-7變形鋁合金人工時效工藝合金時效溫度/c保溫時間/h合金時效溫度/c保溫時間/h7A10120+5126070165+547A09135+5-2122A02,2A161654-5167A04138+5162A80170+587A15145+5202014171+582A50,2B50150+546351180+582A14150+5612（厚壁材）2A17185+5166A02155+582A7018

13、5+587A12一級95+55（第一階段）6101200+562級155+58（第二階段）4A11160+582A16210+562A90165+586061,6063180+55200+5l對于可以進行自然時效或者人工時效的鋁合金，采用哪種方法時效應(yīng)根據(jù)其使用要求而定。一般來說采用自然時效的鋁合金，屈服強度稍低，而耐蝕性能較好；采用人工時效的鋁合金，其屈服強度較高，而伸長率和耐腐蝕性能降低。但對AlZnMg-Cu系合金，如7A04合金則相反，采用人工時效時，合金的耐腐蝕性能反而較自然時效的好些。五、影晌時效效果的因素1 .合金的化學(xué)成分影響時效強化效果取決于合金組元能否溶于固溶體以及固溶體隨

14、溫度變化產(chǎn)生脫溶相的性質(zhì)和脫溶程度。如鈕、硅在鋁中的固溶度較小，且隨溫度變化不大，鎂、鋅雖然在鋁基中有較大的固溶度，但它們與鋁形的化合物的結(jié)構(gòu)與鋁基體的差異較小，強化效果甚微。所以AlMnAl-Si,AlMgAlZn系合金通常都不采用時效強化處理。而Al-Cu,Al-Mg-Si和AlCu-Mg-Si系合金中的(CuA12)相、MgSi相、S(AlzCuMg)目在高溫下能溶于固溶體中，溶解度隨溫度而變化，因而可以通過淬火、時效提高合金的強度。對于以8(CuA12)相、MgSi相和S(A%CuMg)目為強化相的合金而言，隨著CuAb,MgSi和Al,CuMg!勺含量增加，時效強化效果逐漸增加。2

15、.時效溫度的影響從圖357可知，不同時效溫度獲得最大強度值的保溫時間不同或在同一保溫時間下的強度值不同。這是因為在不同溫度時效，析出相的臨界晶核大小、數(shù)量、成分以及富集區(qū)長大速度不同。如溫度太低、擴散困難，GP區(qū)不易形成或數(shù)量很少，因而時效后的強度低，而時效溫度過高時，擴散容易產(chǎn)生，過飽和固溶體析出相粗大，使強度降低，即產(chǎn)生過時效現(xiàn)象。因此每種合金都有在某一保溫時間內(nèi)最佳的時效溫度。不同的時效溫度對時效效果的影響不相同。應(yīng)當(dāng)指出，一定的時效溫度必須與一定的時效時間相結(jié)合，才能獲得滿意的強化效果。時效時間太短，將使合金時效不充分，降低強化效果。時效時間太長，將會產(chǎn)生過時效，同樣降低強化效果，特別

16、是時效溫度較高時，這種影響更為明顯。3 .淬火到人工時效中間停放時間的影響從淬火到人工時效中間停放時間，是指擠壓制品經(jīng)風(fēng)冷或水冷到人工時效開始之間的時間，或擠壓制品從淬火爐出來進行淬火后到人工時效開始之間的時問。不同合金的中間停放時間，都會不同程度地影響時效后的強化效果，這種現(xiàn)象稱為“停放效應(yīng)”。對于Al-Mg-Si系合金而言，中間停放時間，根據(jù)其化學(xué)成分的不同，可以使合金的力學(xué)性能降低，也可以使合金的力學(xué)性能提高。如圖3510所示，當(dāng)形成的MgSi含量在1.0%以下時，中間停放時間將引起人工時效后強度增加，MgSi含量高于1%時，將引起人工時效后強度降低。6063合金的Mg：Si含量一般在0

17、.8%1.1%之間，因此室溫停放時間對人工時效后的強度影響不大，甚至還稍有提高。對于6061合金和硬鋁、超硬鋁合金如7A04,7075等合金，中間停放時間會使人工時效后的強度降低。實驗證明在430h的范圍內(nèi)影響最大。因此這類合金最好在淬火后立即進行人工時效。規(guī)定中間停放時間應(yīng)在4h之內(nèi)。有人對6A02合金的中間停放時間進行研究、對型材抗拉強度的影響如圖3511所小。由圖可知：1）停放時間很短（1h以內(nèi)），由于在停放時間內(nèi)自然時效產(chǎn)生的小尺寸GP區(qū)，在人工時效溫度下不穩(wěn)定而重新溶于固溶體，形核率降低，人工時效后的型材組織內(nèi)存在粗大過渡相，因而使型材抗拉強度不高。2）當(dāng)停放時間在23h之內(nèi)，可獲得

18、最佳的時效效果。因為此時獲得了尺寸適當(dāng)?shù)腉P區(qū)，它在人工時效開始時穩(wěn)定，形核率高。人工時效時，Mg和Si的原子繼續(xù)向硅偏聚團上遷移，大量的穩(wěn)定晶核繼續(xù)成長，形成彌散的MgSi強化相，同時CuAl2相也參加時效，型材性能達到峰值。3）如果停放時間過長，合金內(nèi)產(chǎn)生大量的大尺寸偏聚團，使固溶體內(nèi)溶質(zhì)原子濃度降低，人工時效過程中，大于臨界尺寸的GP區(qū)重新溶于固溶體而大量共格析出產(chǎn)物粗大，形成了較大的MgSi相粒子，使型材性能降低。A1020.40.60.8L01.2L4w(Siy%圖3-5-11停放時間對型材抗拉強度影響圖24h引起抗拉強度的變化I578910停故對離此400圖3510A1-Mg-Si

19、合金淬火后存放六、分級時效與形變時效1.分級時效近年來隨著工業(yè)鋁材的應(yīng)用Et益廣泛，20世紀70年代研究開發(fā)的一種新的時效方法，分級時效已越來越多被采用。分級時效又稱階段時效。它是把淬火后的制品放在不同溫度下進行兩次以上加熱保溫的一種時效方法。在分級時效時，一般都是第一階段采用較低的溫度，促使過飽和固溶體內(nèi)形成大量彌散的GP區(qū)作為向中間相過渡的核心，隨著GP區(qū)密度的增加，也等于加大了中間相的彌散度。第二階段采用較高的溫度時效，促使在較低溫度下形成的GP區(qū)繼續(xù)長大，得到密度較大的中間相，引起制品充分強化。分級時效與單級時效相比，可以縮短時效時間，并且可以改善超硬鋁合金Al-Zn-MgffiAlZnMg-Cu系合金的顯微結(jié)構(gòu)，可以保持力學(xué)性能不變的情況下，顯著提高合金的耐應(yīng)力腐蝕能力、疲勞強度和斷裂韌度。分級時效工藝一般都是第一階段溫度較低，要保證形成GP區(qū)在短時間內(nèi)完成。第二階段的時效溫度較高，促使GP區(qū)向中間相轉(zhuǎn)變，以獲得較高的強度和其他良好的性能。幾種超硬鋁合金的分級時效工藝見表358。表3-5-8幾種鋁合金的分級時效工藝合