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，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，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熱處理來進(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，使過飽和的固溶體分解，讓合金基體組織穩(wěn)定的工藝過程。

合金在時(shí)效處理過程中，隨溫度的上升和時(shí)間的延長，約經(jīng)過過飽和固溶體點(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 用來獲得強(qiáng)度，但塑性和抗蝕性有所降低。 在較高溫度和較長時(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)溫度過高）；人工時(shí)效和人工時(shí)效溫度偏高，或保溫時(shí)間偏長，合金的化學(xué)成分出現(xiàn)偏差。再次退火，提高溫度或延長保溫時(shí)間；提高淬火溫度或延長保溫時(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)??；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（淬火溫度過高或淬火介質(zhì)溫度過低，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等的含量過高；加熱不均勻或加熱太快；爐內(nèi)局部溫度超過合金的過燒溫度；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±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)霧化過的水、各種油（菜籽油等）、加熱到200-220℃的各種油、空氣等。 

近年國內(nèi)研制出來的鋁合金淬火介質(zhì)的冷卻速度介于水和油之間，如德潤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。它淬火之后無須再進(jìn)行沖洗且表面光潔，對(duì)鑄件無污染、無毒害，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程（每3個(gè)月1次）檢測(cè)、校準(zhǔn)1次。