金屬熱處理-鋁合金的熱處理word版本

1、金屬熱處理-鋁合金的熱處理鋁的電解生產(chǎn)技術(shù)鋁的電解生產(chǎn)技術(shù)鋁合金的消費(fèi)量是僅次于鋼鐵的金鋁合金的消費(fèi)量是僅次于鋼鐵的金屬材料。門窗、鋁灌、汽車，等等。屬材料。門窗、鋁灌、汽車，等等。鋁代替合金鋼后，可減少鋁代替合金鋼后，可減少Cu、Cr、Ni等元素的消耗。等元素的消耗。鋁生產(chǎn)的問題：耗能大，每噸鋁耗鋁生產(chǎn)的問題：耗能大，每噸鋁耗能是鋼的能是鋼的4.5倍；污染物排放大，如排倍；污染物排放大，如排放放CO2是鋼的是鋼的7-9倍。倍。 加入加入NaF 、Al2F6 、LiF 、CaF2 、MgF2 調(diào)節(jié)電解質(zhì)溫度，降低調(diào)節(jié)電解質(zhì)溫度，降低900以下，每降以下，每降100100，節(jié)電，節(jié)電1.5kw.

2、h1.5kw.h。電解槽超大型化發(fā)展電解槽超大型化發(fā)展陽極（石墨）陽極（石墨）陰極（石墨）陰極（石墨）熔鹽熔鹽NaF Al2F6 LiF CaF2 MgF2 電解鋁示意圖電解鋁示意圖CO2HFC鋁電解煙氣凈化鋁電解煙氣凈化陽極消耗，生成陽極消耗，生成CO2。電解槽中還。電解槽中還經(jīng)常揮發(fā)出氣態(tài)氟化物（經(jīng)常揮發(fā)出氣態(tài)氟化物（HF）。）。目前常用的凈化煙氣的方法：干法目前常用的凈化煙氣的方法：干法凈化，利用氧化鋁吸附氟化物。但干凈化，利用氧化鋁吸附氟化物。但干法凈化法無法吸收二氧化碳。法凈化法無法吸收二氧化碳。鋁電解用新材料鋁電解用新材料（1）惰性陰極材料）惰性陰極材料傳統(tǒng)電解槽的問題：鋁液與炭塊

3、潤濕傳統(tǒng)電解槽的問題：鋁液與炭塊潤濕性不好，不能有效接觸，影響電流效率。性不好，不能有效接觸，影響電流效率。在電解過程中實(shí)際上是鋁液與炭塊一起在電解過程中實(shí)際上是鋁液與炭塊一起構(gòu)成陰極。在電磁力的作用下，鋁液不構(gòu)成陰極。在電磁力的作用下，鋁液不斷波動(dòng)，電能耗增加。斷波動(dòng)，電能耗增加。另外，冰晶石和鋁液滲入炭塊，使之另外，冰晶石和鋁液滲入炭塊，使之膨脹破壞。膨脹破壞?？蓾櫇穸栊躁帢O的優(yōu)點(diǎn)可潤濕惰性陰極的優(yōu)點(diǎn)（1）新型槽的陰極上不需要厚的鋁液）新型槽的陰極上不需要厚的鋁液層，磁場(chǎng)的作用幾乎降到零，鋁液面層，磁場(chǎng)的作用幾乎降到零，鋁液面保持平整；保持平整；（2）極距大為降低；）極距大為降低；（3）極

4、距降低減少電能消耗，極距降）極距降低減少電能消耗，極距降低低1cm，可節(jié)電，可節(jié)電1000kWh/t(Al)；（4）延長電解槽的使用壽命。）延長電解槽的使用壽命。TiB2惰性陰極材料惰性陰極材料目前認(rèn)為，目前認(rèn)為，TIB2是唯一在鋁液中溶是唯一在鋁液中溶解度很小、導(dǎo)電率高、能被鋁液潤濕解度很小、導(dǎo)電率高、能被鋁液潤濕的材料。的材料?？蓾櫇耜帢O的優(yōu)點(diǎn)：極距降低可潤濕陰極的優(yōu)點(diǎn)：極距降低1厘米，厘米，可可節(jié)電節(jié)電1000kwh/t(Al)。硼化鈦涂層及硼化鈦復(fù)合材料陰極硼化鈦涂層及硼化鈦復(fù)合材料陰極（1）硼化鈦涂層陰極）硼化鈦涂層陰極涂料成分：涂料成分：TiB230%60%，炭素填料，炭素填料18

5、40，有機(jī)樹脂，有機(jī)樹脂2035。涂層工藝：涂層工藝：刷涂。刷涂。涂層效果：涂層效果：涂層對(duì)鋁液潤濕性好，可阻擋電涂層對(duì)鋁液潤濕性好，可阻擋電解質(zhì)對(duì)炭塊的滲透，延長陰極使用壽命；降解質(zhì)對(duì)炭塊的滲透，延長陰極使用壽命；降低電阻率低電阻率50，提高電流密度，降低能耗。，提高電流密度，降低能耗。（2）硼化鈦復(fù)合陰極）硼化鈦復(fù)合陰極材料成分：材料成分：TiB2粉、炭素填料、粘結(jié)粉、炭素填料、粘結(jié)劑。制備工藝：炭素塊表面預(yù)先處理，劑。制備工藝：炭素塊表面預(yù)先處理， TiB2復(fù)合粉料置于炭素塊表面，之后壓復(fù)合粉料置于炭素塊表面，之后壓制成形，最后燒結(jié)。制成形，最后燒結(jié)。使用效果：使用效果：陰極潤濕性好，電

6、耗降低陰極潤濕性好，電耗降低188kWh/t(Al)，電解槽壽命提高，電解槽壽命提高2年。年。惰性陽極材料惰性陽極材料惰性鋁電解用陽極材料自上個(gè)世紀(jì)惰性鋁電解用陽極材料自上個(gè)世紀(jì)50年代開始研究，幾經(jīng)起伏，主要困年代開始研究，幾經(jīng)起伏，主要困難是沒有合適的電極材料。難是沒有合適的電極材料。惰性陽極材料必須具備的性能：惰性陽極材料必須具備的性能：（1）1000以上耐熔融氟化物的侵蝕；以上耐熔融氟化物的侵蝕；（2 2）良好的導(dǎo)電性；）良好的導(dǎo)電性；（3 3）良好的抗熱振性。）良好的抗熱振性。惰性陽極材料的具體性能要求惰性陽極材料的具體性能要求（1）導(dǎo)電率大于現(xiàn)有炭陽極；）導(dǎo)電率大于現(xiàn)有炭陽極；（2

7、）腐蝕率小于）腐蝕率小于100mm/n，壽命大于，壽命大于5年；年；（3）鋁質(zhì)量等于或優(yōu)于現(xiàn)有鋁質(zhì)量，）鋁質(zhì)量等于或優(yōu)于現(xiàn)有鋁質(zhì)量，不含不含Be、Cr等有害環(huán)境的元素。等有害環(huán)境的元素。使用惰性陽極的意義使用惰性陽極的意義（1）陽極無）陽極無CO2排出，只有排出，只有O2；（2）陽極不消耗，無需更換，電解槽）陽極不消耗，無需更換，電解槽全密封；全密封；（3）能耗下降）能耗下降423。有希望的惰性陽極材料有希望的惰性陽極材料金屬氧化物陶瓷：金屬氧化物陶瓷：金屬陽極表面金屬陽極表面CeO2涂層涂層NiO-NiFe2O4+CuAg鋁的合金化鋁的合金化純鋁的強(qiáng)度低，通過添加合金元素提高鋁的純鋁的強(qiáng)度低

8、，通過添加合金元素提高鋁的強(qiáng)度。強(qiáng)度。主要強(qiáng)化方法：固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化。主要強(qiáng)化方法：固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化。Zn、Ag、Mg在鋁中的溶解度大于在鋁中的溶解度大于10%； Zn、Ag固溶效果差。固溶效果差。Cu、Li、Mn、Si在鋁中的溶解度大于在鋁中的溶解度大于1%；Al-Mg合金固溶強(qiáng)化效果好，防銹鋁合金；合金固溶強(qiáng)化效果好，防銹鋁合金；Al-Cu耐熱性好；耐熱性好；Al-Si鑄造性能好。鑄造性能好。沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化獲得明顯沉淀強(qiáng)化效果的條件：獲得明顯沉淀強(qiáng)化效果的條件：（）合金元素溶解度高，隨溫度變化（）合金元素溶解度高，隨溫度變化明顯；明顯；（）析出相均勻、彌散，與基體之間（）析出相均勻、

9、彌散，與基體之間形成共格或半共格的關(guān)系時(shí)強(qiáng)化效果形成共格或半共格的關(guān)系時(shí)強(qiáng)化效果明顯。明顯。典型的沉淀硬化鋁合金典型的沉淀硬化鋁合金Al-Cu合金是唯一獲得明顯沉淀強(qiáng)化效果合金是唯一獲得明顯沉淀強(qiáng)化效果條件的二元鋁合金。條件的二元鋁合金。多數(shù)沉淀強(qiáng)化鋁合金組元數(shù)都在三元以上，多數(shù)沉淀強(qiáng)化鋁合金組元數(shù)都在三元以上，為的是形成新的強(qiáng)化相。為的是形成新的強(qiáng)化相。Al-Zn-Mg，強(qiáng)化相：，強(qiáng)化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3Al-Mg-Si，強(qiáng)化相：，強(qiáng)化相：Mg2SiAl-Cu-Mg，強(qiáng)化相：，強(qiáng)化相：CuAl2 、Al2CuMg鋁合金的細(xì)晶強(qiáng)化鋁合金的細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)化晶粒、細(xì)化亞結(jié)構(gòu)能使鋁合金的細(xì)

10、化晶粒、細(xì)化亞結(jié)構(gòu)能使鋁合金的強(qiáng)度提高約強(qiáng)度提高約1030%。為了使制品在熱處理后保留未再結(jié)晶為了使制品在熱處理后保留未再結(jié)晶的纖維狀組織，通常加入少量過渡族元的纖維狀組織，通常加入少量過渡族元素（素（Mn、Cr、Zr、Ti）提高再結(jié)晶溫度）提高再結(jié)晶溫度。晶粒直徑為微米級(jí)的細(xì)晶鋁合金可產(chǎn)晶粒直徑為微米級(jí)的細(xì)晶鋁合金可產(chǎn)生超塑性。例如生超塑性。例如Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn，伸長，伸長200%不發(fā)生晶粒長大。不發(fā)生晶粒長大。鋁合金的熱處理原理鋁合金的熱處理原理鋁合金的基本熱處理形式是退火與鋁合金的基本熱處理形式是退火與淬火時(shí)效。淬火時(shí)效。退火的主要目的是獲得穩(wěn)定的組織退火的主

11、要目的是獲得穩(wěn)定的組織或優(yōu)良的工藝塑性?；騼?yōu)良的工藝塑性。時(shí)效的目的主要是提高鋁合金的強(qiáng)度。時(shí)效的目的主要是提高鋁合金的強(qiáng)度。Al-CuAl-Cu合金的時(shí)效合金的時(shí)效Al-Cu合金放入干冰（合金放入干冰（-78）中固）中固溶處理，抗拉強(qiáng)度為溶處理，抗拉強(qiáng)度為200MPa左右，長左右，長期在干冰中存放，性能無變化。期在干冰中存放，性能無變化。從干冰中取出在室溫存放，小時(shí)從干冰中取出在室溫存放，小時(shí)后開始硬化，放置天硬度達(dá)到最大后開始硬化，放置天硬度達(dá)到最大值。值。50存放，天后硬度達(dá)到最大值。存放，天后硬度達(dá)到最大值。自然時(shí)效與人工時(shí)效的概念自然時(shí)效與人工時(shí)效的概念自然時(shí)效：自然時(shí)效：將淬火得到

12、的過飽和固溶體將淬火得到的過飽和固溶體置于室溫或低于置于室溫或低于100溫度的環(huán)境下，溫度的環(huán)境下，由于停留時(shí)間的增加硬度和強(qiáng)度增高由于停留時(shí)間的增加硬度和強(qiáng)度增高的現(xiàn)象，稱為自然時(shí)效。的現(xiàn)象，稱為自然時(shí)效。人工時(shí)效：人工時(shí)效：100以上溫度造成的時(shí)效以上溫度造成的時(shí)效稱為人工時(shí)效。稱為人工時(shí)效。Al-Cu合金的時(shí)效過程合金的時(shí)效過程（）（）GP區(qū)的形成區(qū)的形成為什么先形成為什么先形成GP區(qū)？區(qū)？GP區(qū)無獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)，與母相完全共區(qū)無獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)，與母相完全共格，在與格，在與GP區(qū)垂直的晶向上產(chǎn)生彈性區(qū)垂直的晶向上產(chǎn)生彈性收縮。收縮。GP區(qū)厚：幾個(gè)原子。區(qū)厚：幾個(gè)原子。直徑：直徑：10nm

13、。GP區(qū)間距：區(qū)間距：2-4nm。AlCu25.65%Al-Cu合金相圖合金相圖GP區(qū)模型，區(qū)模型，Cu原子在原子在Al的的100面上偏聚面上偏聚（）（）生成生成時(shí)效溫度升高，時(shí)效溫度升高， GP區(qū)直徑急劇區(qū)直徑急劇長大。長大。Cu、Al原子逐漸形成規(guī)則排列，原子逐漸形成規(guī)則排列，形成正方有序結(jié)構(gòu)。形成正方有序結(jié)構(gòu)。a=b=4.04（Al：4.05）。）。c軸軸7.68，比，比Al晶格常數(shù)的倍晶格常數(shù)的倍（8.08）略小，）略小，c軸產(chǎn)生軸產(chǎn)生4%的錯(cuò)配度，的錯(cuò)配度，晶格畸變?cè)龃螅瑥?qiáng)度升高。晶格畸變?cè)龃螅瑥?qiáng)度升高。（）（）的生成的生成20012小時(shí)時(shí)效，生成小時(shí)時(shí)效，生成。正方。正方點(diǎn)陣點(diǎn)陣a

14、=b=4.04， c軸軸5.80，名義成，名義成分分CuAl2，與基體局部失去共格，應(yīng)力，與基體局部失去共格，應(yīng)力場(chǎng)減小。合金硬度、強(qiáng)度下降，開始場(chǎng)減小。合金硬度、強(qiáng)度下降，開始進(jìn)入過時(shí)效階段。進(jìn)入過時(shí)效階段。Al-Cu合金中合金中、 及及相的晶體結(jié)構(gòu)相的晶體結(jié)構(gòu)（）（）相生成相生成進(jìn)一步提高溫度和延長時(shí)效時(shí)間，進(jìn)一步提高溫度和延長時(shí)效時(shí)間， 轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成（CuAl2）。）。 相屬于體心正相屬于體心正方點(diǎn)陣，與基體失去共格關(guān)系，合金方點(diǎn)陣，與基體失去共格關(guān)系，合金強(qiáng)度和硬度明顯降低。強(qiáng)度和硬度明顯降低。過飽和過飽和 GP區(qū)區(qū) 過渡相過渡相 過渡相過渡相 （CuAl2）有時(shí)上面幾相可能同時(shí)存在。

15、有時(shí)上面幾相可能同時(shí)存在。鑄造鋁合金鑄造鋁合金鋁合金是最重要的工業(yè)結(jié)構(gòu)材料鋁合金是最重要的工業(yè)結(jié)構(gòu)材料之一，鑄造鋁硅合金是在航空航天、之一，鑄造鋁硅合金是在航空航天、機(jī)械、電子等工業(yè)中大量應(yīng)用的重要機(jī)械、電子等工業(yè)中大量應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料，凝固組織特別是共晶硅的結(jié)構(gòu)材料，凝固組織特別是共晶硅的生長形態(tài)對(duì)其性能具有決定性影響，生長形態(tài)對(duì)其性能具有決定性影響，凝固過程控制、細(xì)化凝固組織、改變凝固過程控制、細(xì)化凝固組織、改變共晶組織生長形態(tài)，是控制鑄造鋁硅共晶組織生長形態(tài)，是控制鑄造鋁硅合金性能的重要措施。合金性能的重要措施。主要的鑄造鋁合金主要的鑄造鋁合金（）（）Al-Si、Al-Si-Mg系，強(qiáng)

16、度中等，常溫系，強(qiáng)度中等，常溫使用，適合鑄造復(fù)雜形狀零件，常用。使用，適合鑄造復(fù)雜形狀零件，常用。（）（）Al-Cu，熱強(qiáng)性好，工作溫度高，鑄造，熱強(qiáng)性好，工作溫度高，鑄造工藝性好，抗腐蝕性較低。工藝性好，抗腐蝕性較低。（）（）Al-Mg，強(qiáng)度高，切削性能好，耐蝕，強(qiáng)度高，切削性能好，耐蝕性、鑄造性較差。性、鑄造性較差。（）（）Al-Re，耐熱性好，鑄造工藝性好，室，耐熱性好，鑄造工藝性好，室溫強(qiáng)度低。溫強(qiáng)度低。（）（）Al-Zn，有自淬火性，可直接自然時(shí)效。，有自淬火性，可直接自然時(shí)效。比重大，耐熱性較差。比重大，耐熱性較差。A ssessed A l-M g phase diagram.A

17、l-Mg二元合金相圖二元合金相圖鑄造鋁合金的編號(hào)鑄造鋁合金的編號(hào)鑄造鋁合金采用鑄造鋁合金采用“鑄鋁鑄鋁”二字漢語二字漢語拼音字頭拼音字頭ZL表示，其后有三個(gè)數(shù)字，表示，其后有三個(gè)數(shù)字，第一個(gè)代表合金系，其余為合金順序第一個(gè)代表合金系，其余為合金順序號(hào)。號(hào)。例如：例如：ZL102，表示，表示Al-Si系第一號(hào)鑄鋁。系第一號(hào)鑄鋁。Al-Si系合金的牌號(hào)及主要成分系合金的牌號(hào)及主要成分合金牌號(hào)主要成分，%SiMgMnCuAlZL-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

18、.30.20.5_余量ZL-1054.55.50.350.6_1.01.5余量Al-Si合金相圖合金相圖Al-Si系合金的鑄造及其系合金的鑄造及其變質(zhì)處理變質(zhì)處理Al-Si二元合金共晶體中，硅呈粗二元合金共晶體中，硅呈粗大針狀，嚴(yán)重影響合金的性能，不能大針狀，嚴(yán)重影響合金的性能，不能作為工業(yè)合金使用。直至作為工業(yè)合金使用。直至1921年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)了變質(zhì)處理方法，改變了硅的形狀，了變質(zhì)處理方法，改變了硅的形狀，提高了合金的性能，提高了合金的性能，Al-Si合金才得到合金才得到廣泛應(yīng)用。一般硅大于廣泛應(yīng)用。一般硅大于6%的鑄造鋁合的鑄造鋁合金都要求在合金精煉后進(jìn)行變質(zhì)處理。金都要求在合金精煉后進(jìn)行

19、變質(zhì)處理。未變質(zhì)的未變質(zhì)的(a)和變質(zhì)處理后的和變質(zhì)處理后的(b) Al-12%Si合金組織合金組織 500(a)(b)常用變質(zhì)劑及變質(zhì)處理方法常用變質(zhì)劑及變質(zhì)處理方法二元變質(zhì)劑：二元變質(zhì)劑：2/3NaF+1/3NaCl三元變質(zhì)劑三元變質(zhì)劑:25%NaF+62%NaCl+13%KCl變質(zhì)處理的方法是：將預(yù)熱過的變質(zhì)劑撒變質(zhì)處理的方法是：將預(yù)熱過的變質(zhì)劑撒入合金液面上，保持入合金液面上，保持1012分鐘至變質(zhì)劑分鐘至變質(zhì)劑熔化。此時(shí)應(yīng)不斷地打碎硬殼使氣體排熔化。此時(shí)應(yīng)不斷地打碎硬殼使氣體排除 ， 并 將 碎 硬 殼 壓 入 合 金 液 面 下 約除 ， 并 將 碎 硬 殼 壓 入 合 金 液 面

20、 下 約100150毫米，時(shí)間約毫米，時(shí)間約35分鐘。分鐘。變質(zhì)處理的機(jī)理變質(zhì)處理的機(jī)理關(guān)于變質(zhì)機(jī)理，目前尚無完全統(tǒng)一解關(guān)于變質(zhì)機(jī)理，目前尚無完全統(tǒng)一解釋，比較流行的是吸附理論：硅在鋁內(nèi)的釋，比較流行的是吸附理論：硅在鋁內(nèi)的晶體具有大量孿晶，硅晶體是以孿晶的方晶體具有大量孿晶，硅晶體是以孿晶的方向生長的，最后形成粗大的針狀形態(tài)。加向生長的，最后形成粗大的針狀形態(tài)。加鈉以后，形成大量（鈉以后，形成大量（NaAl）Si2的結(jié)晶核心的結(jié)晶核心與鋁形成共晶，使共晶成分產(chǎn)生偏移。同與鋁形成共晶，使共晶成分產(chǎn)生偏移。同時(shí)，鈉破壞了孿晶的角度，使硅的晶體不時(shí)，鈉破壞了孿晶的角度，使硅的晶體不易生長，此外，硅

21、晶體與鋁的界面上也分易生長，此外，硅晶體與鋁的界面上也分布有鈉，阻礙了硅的生長，因而硅以球狀布有鈉，阻礙了硅的生長，因而硅以球狀的方式長大。的方式長大。Al-Si合金的熱處理：合金的熱處理：雖然硅在雖然硅在固溶體中隨溫度下降有明顯的固溶體中隨溫度下降有明顯的固溶度變化，但固溶度變化，但ZL-102合金熱處理強(qiáng)化效果合金熱處理強(qiáng)化效果不大。這是因?yàn)楣璧某恋砗图鬯俣群芸欤淮?。這是因?yàn)楣璧某恋砗图鬯俣群芸?，甚至在淬火過程中都可能發(fā)生固溶體的分解，甚至在淬火過程中都可能發(fā)生固溶體的分解，析出硅質(zhì)點(diǎn)，而不形成共格或半共格的過渡析出硅質(zhì)點(diǎn)，而不形成共格或半共格的過渡相。因此生產(chǎn)上相。因此生產(chǎn)上ZL-

22、102合金一般只進(jìn)行退火：合金一般只進(jìn)行退火：30010，保溫，保溫2-4小時(shí)空冷或隨爐冷卻。小時(shí)空冷或隨爐冷卻。其典型性能為：其典型性能為：b=160Mpa，0.2=90MPa ，=5.0%，HB=50。除了除了ZL-102，其它牌號(hào)的鋁合金，其它牌號(hào)的鋁合金在使用前一般都需進(jìn)行淬火和時(shí)效處在使用前一般都需進(jìn)行淬火和時(shí)效處理，淬火溫度一般在理，淬火溫度一般在515-535,保溫保溫時(shí)間時(shí)間2-6小時(shí)，淬火冷卻介質(zhì)為小時(shí)，淬火冷卻介質(zhì)為20-100的水。時(shí)效處理加熱溫度一般為的水。時(shí)效處理加熱溫度一般為150-300，加熱時(shí)間為，加熱時(shí)間為2-5小時(shí)，一小時(shí)，一般采用空冷。般采用空冷。合金牌號(hào)

23、合金牌號(hào)熱處理熱處理狀態(tài)狀態(tài)淬火淬火時(shí)效（回火）時(shí)效（回火）加熱溫度加熱溫度保溫時(shí)間保溫時(shí)間小時(shí)小時(shí)冷卻介質(zhì)及冷卻介質(zhì)及溫度溫度加熱溫度加熱溫度保溫時(shí)間保溫時(shí)間小時(shí)小時(shí)冷卻介質(zhì)冷卻介質(zhì)ZL101ZL101T2T2_ _ _ _30030010102-42-4空冷空冷/ /爐冷爐冷T4T45355355 52-62-620-10020-100，水，水- - - -T5T55355355 52-62-620-10020-100，水，水1501505 52-42-4空冷空冷T6T65355355 52-62-620-10020-100，水，水2002005 53-53-5空冷空冷T7T75355355 52-62-680-10080-100