铝合金热处理技术

铝合金热处理技术

     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(dislocations)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******的分佈状态，亦即对差排的阻力******；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

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