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你所不知道的铝合金热处理方式及其缺点


一.处理技巧 铝合金热处理的定义很广, 凡是人為控制之加热与冷却过程,用以改善材料之结 构与性质者皆属於热处理, 所以铸锭在加工前成形中,或加工后以及铸件所施之 加热及冷却过程都叫热处理,亦包含下式的处理: (1) 浸热(Soaking),均质化处理(homogenizing)预热—使铸块组织均质化而长 时间加热处理。 (2) 再热(reheating)热间加工,而加热处理。 (

3) Annealing 退火-软化材料。 (4) Solution heat treatment)溶体化处理,auenching 淬火,回火(artificial aging 或 temper)—提高材料强度 (5) Stabilizing treatment 安定化处理 铝合金分為两大类: (1) Heat treatable alloy (2) Non-heat treatable 热处理铝合金為 2XXX,6XXX,7XXX 或 2XX.X,3XX.X,7XX.X,其区分是热处理 铝合金如施以适当热处理其内部结构发生一种相变化,產生细緻析出物,藉此种 析出物,强化材料。这种现象叫析出硬化或时效硬化。 (Heat treatable alloy =precipitation-hardenable alloy) 非热处理合金则无析出硬化现象(但也会有析出物), 故其强化作用通常借助一般 的方法,如因溶体强化,加强化细晶强化。 (1) 铝合金之特性 首先我们先讨论铝及其合金的特性来说明铝及铝合金為何大量的被运用。 (a)轻~2.7Mg/m,差不多是同体积铜或钢的 1/3 重量。 (b)防腐蚀能力强。 (c)可反射辐射能—可见光、辐射热、电磁波。 (d)导电及导热能力强,且又是非铁磁性。 (e)non-sparking (f)无毒性 (g)外观及表面易处理 (h)机械性质良好 (i)存量多 铝合金的代号甚多,例如:A.A(Aluminum,Association) Al coa:(Alumunum Company of America),JIS,DIN,BS 等等,在我们仅说明 A.A.代号及 J.I.S 代号:

A.A.代号用四位数字表示 1XXX 纯铝系 99.00%以上 2XXX Al-Cu 3XXX Al-Mn 4XXX Al-Si 5XXX Al-Mg 6XXX Al-Mg-Si 7XXX Al-Zn 8XXX 前代号以外之系统 9XXX 备用 J.I.S 代号 A2P1 A代表铝 2-表示大区别 1.铝 2.耐蚀铝合金 3.高力铝合金 4.耐热铝合金 P-表示形状 P板 R条 E 圆板 PC 合板 RC 合条 T 管 B 棒 W 线 S 挤压形材 V 卯钉材 F 锻造品 H 箔 TW 熔接管 BC 导体 1-表示种类 特1 特 2 分别用 S.O (2) 铝合金之析出硬化 当金属所受袜力超过其降伏强度时,即发生塑性变形,从内部微结构的观点 来看,变形最主要是由差排(dislocation)再受外力下,开始移 动而造成。因此 差排运动的难易关係到金属的强度,差排越不易运动,则外加力势必越大材足以 使他移动而形成塑性变形, 此时材料呈现的强度越高, 反之, 呈现的 强度越低。 因而各种使材料强化的手段包括设计适当合金成分、施加适当铸造技术、热处理 技术、加工技术,实质上就是造成材料内部差排移动阻碍的因素,阻碍差 排运 动的因素有溶质原子(即所谓固溶强化)、差排互相干扰(即加工强化)、晶界(即 细晶强化)、麻田散相(即麻田散强化)、第二相颗粒(有散佈强化、扩散 强化、 析出强化)等。 在上述强化方法中, 乙烯初强化最晚為人类所发现,但他是一种十分有效的 强化方法, 可使一个材料晶析出硬化热处理提高 5 至 6 倍的强度,许多高级的结 构材料即靠析出强化来获致其强度,如 Al-Zn-Mg,Al-Cu、Al-Mg-Si, Cu-Be、麻时效钢(maraging steel)、析出硬化型不銹钢等。 以 Al-Cu 合金平衡图為例,可瞭解此种原理。由图可看出铝基地(α 相)对 Cu 的饱和溶解度,再 548℃时是 5.7%,随温度逐渐下降,至 0℃ 时仅 0.2%。当 铝基地中的 Cu 含量超过此一固线(solvus line)时, 多餘的 Cu 含量便以 θ (CuAl 化合物)析出来。例如 Al-4%Cu 合金,在 540℃时 Cu 全铝基中而為 α 固溶体, 如果将之缓慢冷却,到了 A 点以下,饱和溶解度开始低於 4%,此时 θ 便开 始 析出,沿晶界析出较粗大,基地内析出较小些。如果吾人採用快速冷却,例如将 之淬火至室温水或更低温液体,由於冷却速率太快,不超过 1~2 秒的时间,就到 达低温状态,故此时不像食盐水之能迅速析出沉淀,在这短时间内,θ 相是来

不及析出的。且由於固体中原子扩散速率再低温时甚為缓慢,在一段时间内,析 出几乎 被抑制,因而淬火后得到的是过饱和的固溶体。 淬火在时效析出物比缓慢冷却者细小而緻密, 由於前以叙述及析出物越緻密, 其析出强化效果越好, 固实用的析出硬化热处理程序必须包括下列三个基本步骤: 固溶热处理(solution treatment)→淬火(quench)→时效处理(aging treatment) 固溶处理係指将材料生温至固溶体单相区一段时间, 以便让溶质全部溶入基 地而成单一 α 相;淬火係指将固溶处理后的材料迅速冷却以得饱和固溶体。时 效处理则将此过饱和固溶体放置在恆温, 使其逐渐析出析出物而造成性质上的变 化。此恆温若為室温则称為自然时效(natural aging),若在叫高温炉中进行则 称之為人工时效(artificial aging)。 图 3-1 显示一个典型的时效硬度曲线,硬度在时效初期质逐渐上升,对时间 后达最高硬度,过了最高点,硬度逐渐下降,这三个阶段分别称做初时效、 最 高时效及过时效;一般而言,初时效硬度上升是由於析出物逐渐析出,体积比逐 渐增加,析出物间距越小所致;到了最高时效时,此时析出物呈现最佳的分佈状 态,亦即对差排的阻力最大;过时效的形成是由於析出物的粗化,所谓粗化就是 说由於析出物在希望减少总表面积以降低总表面能的趋使下, 大的析出物越长越 大, 小的析出物逐渐变小而消失,亦即粗化的结果,造成析出物半径增大,个 数减少,间距加大,根据前述之强化机构,可之粗化降低对差排的阻力,并使硬 度下降。

(3)铝合金热处理技术 1.热处理铝合金加工代号 F:As fabricated 表示冷加工,热加工或铸造成形后不在施以特别处理。 O:Annealed 表示退火至最低强度水平之锻製品,及经退火增加延展性及尺寸安 定性之铸造品。 H:Strain Hardened 表示经加工变形之锻製品。 W:Solut heat treated:表示仅固溶体处理后自然时效 W1/2 hr。 T:Heat treated to produce stable tempers other than F . O . or H . 2.热处理代号 H1:仅加工硬化者 H2:加工硬化且未完全退火(部分退火) H3:加工硬化作低温加热以便稍微降低强度以增进延展性及安定性 H1X,H2X,H3X X 由 1~8 8:50℃以下将完全退火之合金施以 75%冷滚所的之强度 0:為完全退火之强度 4→8+ 0/2

H 112 製造成形时加工硬化但加工量為加以控制 H 321 製造成形时加工硬化,加工量特定 3.T 代号之细分 T 1 从较高温之成形加铸造、挤形等过程中冷却下来并自然时效。 T 2 从较高温之成形施以冷加工并自然时效。 T 3 固溶体处理后,冷加工并自然时效 T 4 固溶体处理后,直接自然时效 T 5 轻较高温度成形施以人工时效 T 6 固溶处理后人工时效 T 7 固溶处理后人工时效至过时效状态 T 8 固溶体处理后,冷加工并人工时效 T 9 固溶体处理后人工时效并冷加工 T 10 较高温之成形施以冷加工并人工时效 TX 51 固溶体处理后用伸张的方法消除内部应力 TX 52 固溶体处理后用压缩的方法消除内部应力 TX 53 用伸张及压缩的方法消除内部应力 4.热处理注意事项: 1.Solution Heat Treatment 固溶体处理 一般处理温度约只低於共晶温度 10~15℉,对於高成分的合金要避免超过共晶温 度,否则发生共晶反应在晶界上形成脆性之共晶结构影响材质 1.Over heating 2.Nonequilibrium Melting 3.Underheating 4.Solution Treating time, soaking time 5.High Temperature Oxidation 高温氧化 2.Quenching 淬火 淬火之目的在造成过饱和之固溶体, 最理想的淬火是保持固溶体之溶解度→ 细密、 析出强度高, 且耐蚀及抗属力腐蚀性也会改善→保持大量之 Vacancy 有益 析出硬化 原则上淬火速率越快, 淬火温度越低越好,但是淬火速率太快往往会造成变 形或内部应力,因此对形状较不规则的物体仍採慢淬火為宜。 注意事项: 1.操作需迅速→迟了机械性质、耐力、伸度会劣化,组织不均匀也会降低耐蚀性 越薄→越快。 2.淬火材料要够 3.Precipitation Heat Treatment(时效处理)析出热处理温度越高硬度上升越快 达到硬度之时间越短,但最高硬度相形下降,而工业上,温度越高,成本越大。

自然时效 natural aging(常温时效)如 2040 合金,T4 人工时效 artificicl aging, Precipitation heat treatment 7075 自然时效虽快但硬化一直增加中 难获安定之结构,故此合金採人工时效。一般而言,过时效之伸长率与韧性数初 时效差一般合金不适合作过时效处理,但若 考虑高温安定性时,较高温之过时 效是以必要的。另外 7000 系铝、锌镁合金 t6 处理之强度高,但抗蚀性最差,过 时效反可大幅改善,因之 7000 系如 7075,在实用上如应力腐蚀顾虑时必将 T73 或 T76 处现。淬火后再低於常温保持时,一般会抑制析出,如 2014,2017,2024 在-20℃放置一 周几乎不变-迟效,如 2117—铆接材 4.退火 Annealing Full annealing 充分退火,对加工硬化物之物件通常以再结晶而对可热处 理合金溶质均以全部析出(防止自然析出) 如太高温度或长时间加热的话,结晶粒粗大,机械性质差,甚至肌肤粗糙。 油污(oil station)→因油脂使表面变色 部分退火(低温退火)→高於常温, 加热时间短→结晶细而且软→只适用於薄而形 状单纯者。 二.缺点 紧固件是用于机械连接、固定的一种通用零部件。它具有种类丰富、形状尺寸复 杂,选用材质繁多等特点。 紧固件被广泛地使用于机械、汽车、航 空、航天、建筑,交通,通讯、电 子电器等众多行业, 各行业对紧固件有着各种各样不同的要求,其中包括不同的 综合机械性能。 紧固件的综合机械性能主要决定于 所选用的材料和热处理质量, 所以严格合理地选用材料和提高热处理水平及质量势在必行。 热处理分为加热和冷却两个过程, 分别对两个过程进行科学地控制就能得到 理想的热处理质量。合理地选择、科学地使用淬火介质是控制冷却过程的本质。 以下就将本公司长期工作服务于紧固件热处理行业的经验与大家共享。 一、以 ML35(32、40)等为主的螺栓,螺柱、螺钉、螺母及异型非标件因材 料淬透性的问题, 该类零件在热处理过程中应选用冷却速度较快的淬火介质,从 而满足零件淬火的硬度、金相及机械性能等各方面的要求。 I.产品尺寸为 M4-Ml 6,您可选择 3-5%KR6480 聚合物水溶性淬火剂,如 果您选用 35#,35A、35S 可放宽至 M18--M20。 Ⅱ、产品尺寸为 M10~M24,您可选择 8~10%KR7280 水溶性淬火剂。 Ⅲ、产品尺寸大于 M24,可选择 lO~15%KR7280 水溶性淬火剂。 IV, 产品以 45#为主, 您可以根据您产品的尺寸大小选择 KR6480 或 KR7280。 以 35CrMo,40Cr,20MnTiB,35VB 等为主的螺栓、螺拄,螺钉,螺母及异型非标 件 I、如果您的产品以 35CrMo、40Cr 为主可选择 KRll8 快速淬火油或 5—10% KR6480 聚合物水溶性淬火剂。 Ⅱ、如果您的产品以 20MnTiB、35VB 为主可选择 KR7280 或 KR6480。 三,以低碳钢 10#、15#,20#,20Cr,1018、1022、10B21 等材料为主的浅 层渗碳自攻螺钉、销子类等可选用 KR6480 或 KRll8 四、以 65Mn,60Si2Mn、70 等为主的弹簧垫圈,挡圈等可选用 KRl18 快速淬 火油。

五、产品种类较多,尺寸跨度较大可选用 KRll8 或 KR6480(能满足所有合 金钢及一定尺寸的碳钢的淬火及渗碳淬火)工件的内在质量决定于热处理质 量。 淬火介质在热处理中起着决定性的作用,但它是热处理生产成本中最小的一块, 只要在淬火介质上稍加重视,选用专业性的可靠产品便能享受到专业化的咨询、 售后服务,收到预想不到的效果,并且大大降低综合生产成本。 备注: 1,KR6480 是一种通用性很强的水溶性淬火剂(上标五厂长期使用) 2、KR7280 是目前世界上冷速最快的水溶性淬火剂(通用零部件协会优秀新 产品),在欧洲被广泛使用 3、KRll8 是目前世界上冷速最快的淬火油,具有非常强的材料兼容性。 南京科润精细化工有限公司是一家专业从事热处理淬火介质、 金属清洗剂及 防锈剂等金属加工介质的研完、开发、生产、销售和服务的高新技术企业。 科润始终“以客户为关注焦点”, 全方位贯彻“量身定做的产品+专业的服 务”的经营理念, 不断探求客户现有及潜在的需求并通过强大的研发反馈于产品 本身, 从而使之得到满足;同时,努力完备服务团队的专业技术知识及实践经 验,为客户提供强大的技术支持。通过不断地改进,提高客户满意度,从而实现 “科润”的品 牌价值。 科润研发、生产,销售的“科润 KERUN”系列热处理淬火介质、金属清洗剂 及金属防锈剂等,已广泛应用于齿轮、轴承、标准件,链 条,活塞、油泵油嘴, 液压件等行业的三百多家用户工厂, 其中, 包括上汽集团、 上标集团、 万向集团, 威子集团、东华集团,;二汽东风等著名企业,为他们提高 产品质量,降低生 产成本、改善环境,带来了显著的经济效益和社会效益。


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