鋁合金熱處理原理及技術探析

韋力

摘 要：鋁合金的綜合性能在很大程度上依賴熱處理工藝，從熱處理的原理概述出發，具體介紹了鋁合金的退火和淬火時效的關鍵技術，分析某些大型鋁合金元件容易產生的熱處理變形過大的問題，并提出相關控制措施。

關鍵詞：鋁合金；熱處理技術；退火；淬火

中圖分類號：TG166.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）06-0024-02

隨著有色金屬技術的迅猛發展，鋁合金以密度低、強度強、熱導率高、導電性好、抗腐蝕性和冷切削加工性能優等突出優勢，成為航空工業、軍工、造船、醫療、民用建筑、礦山冶金、汽車和機械制造等行業最常用的結構材料之一。由于鋁合金的綜合性能在很大程度上依賴于熱處理工藝，所以筆者結合實踐經驗，就該技術進行簡單探討，以供后期研究參考。

1 熱處理原理概述

從廣義上說，所謂“熱處理”其實是指改變金屬產品的機械性能、冶金機構或殘余應力狀態的任何加熱和冷卻操作，具體到鋁合金熱處理，通常僅指選用某一熱處理規范，對鋁合金加熱速度進行控制，在溫度升至某一適宜溫度時，保持該溫度一定時間（稱為保溫），并以一定的速度冷卻，從而改變其合金的組織，進而改善鋁合金材料內在質量，達到賦予或改善其使用性能的目的。從本質上而言，鋁合金的熱處理其實是一種人為的控制鋁合金的加熱和冷卻的過程，其目的大致可概括為以下幾點：①提高鑄件的機械性能，保證優良的工藝塑性，提高合金的強度和抗拉強度，改善合金的切削加工性能等；②消除因鑄件壁厚不均勻、快速冷卻等造成的內應力；③確保鑄件的尺寸和組織的穩定性，消除因高溫引起相變產生體積脹大的現象；④消除偏析和針狀組織，改善合金的組織和機械性能。

2 鋁合金熱處理技術

2.1 熱處理設備

鋁合金的熱處理是一種精密工藝，為了保證希望的熱處理均勻性和“溫度—時間”循環的可重復性，熱處理工藝必須在精確的加熱工藝條件和足夠的控制儀表爐子中進行。具體來說，所用設備主要有：①軋制用坯錠、卷帶的二次加熱和均勻化生產線；②擠壓鋁錠的均熱生產線，前者主要有鋁錠加熱電爐、周期式均熱爐和鋁扁錠均熱爐等；而后者一般由多臺均熱爐、冷卻室、裝卸料臺、復合裝卸料車和電控系統組成，加熱措施為電加熱或火焰加熱。

2.2 熱處理工藝

鋁合金的基本熱處理一般采用退火或淬火時效來實現。退火是一種軟化處理，目的是保證一定的塑性和組織的穩定性；淬火時效是一種強化處理，在淬火時使強化相充分地固溶在鋁材中，在隨后的時效過程中（又稱沉淀硬化）獲得最大的強化效果。

2.2.1 退火

所謂“退火”就是將工件加熱到某一相應溫度后，保溫一定時間，并以緩慢速度冷卻的一種工藝。根據具體目的的不同，退火分為應力退火、再結晶退火和均勻退火等。

2.2.1.1 去應力退火

鑄件、焊接件、切削加工件、塑性變形工件等的殘余內應力往往很大，這不僅加劇了應力的腐蝕性，還降低了組織和機械性能的穩定性。因此，需要做應力退火處理，即將鋁合金工件加熱到某一較低溫度，保持一定時間后再緩慢冷卻，此過程是為了在升溫的同時增大原子的活動能力，從而最大程度地減少或消除晶體晶格中的某些缺陷，同時降低晶格的扭曲能量。采用去應力退火可以大大降低晶格的彈性畸變，減小內應力，在穩定尺寸并減小應力腐蝕傾向的同時，又確保了一定的強度和硬度。

2.2.1.2 再結晶退火

即將鋁合金工件加熱到再結晶溫度以上，保持一定時間后緩慢冷卻，其目的是為了細化晶粒，消除內應力并降低合金硬度，提高塑性變形能力。為確保獲取細晶粒組織，必須強化加熱溫度、保溫時間和加熱速度這三大要素。對同一合金來說，在加熱溫度高的情況下，應縮短保溫時間，以免進入聚集再結晶階段使晶粒長大；在加熱溫度較低的情況下，應延長保溫時間，以確保再結晶的充分性，獲得細小均勻的組織。

2.2.1.3 均勻化退火

對鑄件或鑄錠進行澆注時，一旦冷卻速度過快，會使結晶在不平衡狀態下進行，這樣往往會造成一些缺陷，例如偏析、不平衡共晶體、第二相晶粒粗大和硬脆相沿晶界分布等，從而對合金的強度、硬度、抗蝕性造成極大的影響。因此，為避免以上情況發生，需要進行均勻化退火，即將合金加熱到接近熔點的溫度，保持一定時間后再緩慢冷卻。均勻化的過程其實是原子擴散的過程，因此也被稱為擴散退火，要確保其質量，關鍵是要抓好加熱溫度和保溫時間兩大要素。

2.2.2 淬火時效

淬火也稱固溶化處理，其實質是盡可能將鋁合金工件加熱至高溫（一般在500～570 ℃之間），并在該溫度下保持足夠長的時間，隨后快速地將仍在高溫狀態下剛剛凝固的鋁鑄件直接淬入水或油中，使固溶體呈過飽和狀態，并加以人工時效，從而使固溶體獲得最大的強化效果。一般而言，固溶化處理的溫度愈高，與共晶轉變溫度或固相線溫度越是接近，則淬火的效果也越為顯著。但需特別指出的是，由于鑄件的冷卻速度較大，合金在非平衡狀態下結晶會出現非平衡的共晶體，因此，應確保淬火溫度低于熔點共晶的熔點。對此，可采取分級加溫的方式，初始溫度應確保小于共晶溫度5～10 ℃，保證組成共晶體的第二相溶入固溶體中，接著繼續提高溫度至此接近固相線的溫度，進行短期保溫，最大可能地將剩余的第二相溶入固溶體中，這樣既避免了“過燒”，又能獲得較好的機械性能。此外，在進行固溶化處理時，保溫時間的長短取決于強化相溶入固溶體中所需的時間，一般而言，鋁合金中強化相溶入固溶體的速度越大，則保溫時間越短，比如較金屬型和薄壁鑄件來說，砂型和厚壁鑄件的保溫時間更長；鋁合金中強化相的擴散速度大，則保溫時間可相應縮短，例如從擴散速度來說，Mg2Si>CuAl2>Mg2Al，因此Al-Si-Mg合金的保溫時間較Al-Cu，A1-Mg可相應縮短。

3 熱處理工藝過程控制

在實際中，很多鋁合金元件形狀復雜、尺寸較大、壁厚不勻，在現有的設備和工藝條件下，可能會造成各種熱處理缺陷，例如裂紋、變形和機械性能不合格等。因此，有必要采取一定的控制措施，提高熱處理的質量。

3.1 加熱過程控制

鋁合金元件在加熱升溫的過程中，表面升溫的速度往往快于心部，從而導致熱應力的產生。如果元件壁厚且加熱速度過快，則表面和心部的溫差就明顯，熱應力也相應越大。因此，可以采用降低加熱速度的方式來減小元件的熱應力，進而降低加熱變形的概率。需指出的是，由于加熱速度對形狀簡單且尺寸較小的元件影響較小，因此，該方式主要針對的是大型的鋁合金元件。做好加熱過程控制可以從以下幾點做起：①增加等溫階段。此措施是為了減小加熱過程中元件表面與心部之間的溫差，進而減小變形。例如ZL111鋁合金，可在到達固溶溫度前，在490 ℃和500 ℃兩個溫度階段進行等溫。②控制升溫速度。在低溫階段，升溫速度可以大一些；反之，在高溫階段，應降低升溫速度，進而有效控制變形。③控制元件的入爐溫度。在連續生產時，鋁合金固溶爐在一爐元件淬火后，往往接著進行下一爐，此時爐內仍舊處于高溫狀態，通常在400 ℃左右，不利于有效控制加熱速度。因此，有必要在工藝上明確規定元件的入爐溫度，保證元件在爐溫降至規定溫度后才能進爐，例如ZL111鋁合金的入爐溫度以小于150 ℃為宜。

3.2 冷卻過程控制

固溶處理淬火冷卻時，冷卻速度與熱應力往往成正比，速度越快熱應力越大，越容易增加元件變形概率。因此，在保證冷卻過程中不析出第二相的前提下，適當地對冷卻速度加以控制，有利于減小元件變形概率。鋁合金固溶處理常以水或油為冷卻介質，其中以水最為普遍，而水的冷卻能力在很大程度上取決于其溫度，隨著水溫的升高，冷卻能力急劇下降。工藝上對水溫的規定范圍通常較大，可為60～100 ℃，實際操作中對水溫的控制要求也不嚴格，但一些大型的鋁合金元件變形要求較高。因此，工藝上必須考慮水溫對冷卻速度的影響，并做好嚴格的控制，在確保達到所需冷卻效果的前提下，提高水溫，進而降低冷卻速度，有效降低元件冷卻變形概率。

3.3 采用校正方法減小變形

校正是降低或消除元件變形的有效手段之一，但受元件結構限制，并非所有的鋁合金元件都適合校正。對符合校正要求但在熱處理變形仍不能滿足機械加工要求的元件，可利用鋁合金元件在固溶處理前或固溶處理后人工時效前強度低、塑性好的特點進行校正，例如可在固溶處理前采用重物擠壓的方法對ZL111鋁合金進行校正，減小其平面翹曲。

當前，鋁合金產品的應用呈現越來越廣泛的趨勢，對其熱處理質量的要求也越來越高，這就要求相關工作人員要不斷加大對熱處理工藝技術的研究，改善和提高鋁合金的綜合性能，保證熱處理的質量，促進其更廣泛地被應用。

參考文獻

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〔編輯：李玨〕