鋁合金的熱處理1340602405陳仕博

1、金屬熱處理金屬熱處理鋁合金及其熱處理鋁合金及其熱處理陳仕博陳仕博 1340602405鋁及鋁合金概述鋁及鋁合金概述（）用量?jī)H次于鋼，地殼中儲(chǔ)量第一；（）用量?jī)H次于鋼，地殼中儲(chǔ)量第一；（）鋁的性能：力學(xué)、電學(xué)；（）鋁的性能：力學(xué)、電學(xué)；（）鋁與航空工業(yè)；（）鋁與航空工業(yè)；（）人們一直在努力提高鋁合金的性（）人們一直在努力提高鋁合金的性能，例如日本的超級(jí)鋁項(xiàng)目，提高鋁能，例如日本的超級(jí)鋁項(xiàng)目，提高鋁合金的純度，使用變形熱處理和粉末合金的純度，使用變形熱處理和粉末冶金工藝提高鋁合金的性能，等等。冶金工藝提高鋁合金的性能，等等。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)

2、量是僅次于鋼鐵的金屬材料。門(mén)窗、鋁灌、汽車，等等。屬材料。門(mén)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(wèn)題：耗能大，每噸鋁耗鋁生產(chǎn)的問(wèn)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.h1.5kw.h。電解槽超大型化發(fā)展電解槽超大型化發(fā)展陽(yáng)極（石墨）陽(yáng)極（石墨）陰極（石墨）陰極（石墨

3、）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(yáng)極消耗，生成陽(yáng)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(wú)法吸收二氧化碳。法凈化法無(wú)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(wèn)題：鋁液與炭塊潤(rùn)濕傳統(tǒng)電解槽的問(wèn)題：鋁液與炭塊潤(rùn)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

4、流效率。在電解過(guò)程中實(shí)際上是鋁液與炭塊一起在電解過(guò)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?rùn)濕惰性陰極的優(yōu)點(diǎn)可潤(rùn)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

5、(Al)；（4）延長(zhǎng)電解槽的使用壽命。）延長(zhǎng)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(rùn)濕解度很小、導(dǎo)電率高、能被鋁液潤(rùn)濕的材料。的材料?？蓾?rùn)濕陰極的優(yōu)點(diǎn)：極距降低可潤(rùn)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1840，有機(jī)樹(shù)脂，有機(jī)樹(shù)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(rùn)濕

6、性好，可阻擋電涂層對(duì)鋁液潤(rùn)濕性好，可阻擋電解質(zhì)對(duì)炭塊的滲透，延長(zhǎng)陰極使用壽命；降解質(zhì)對(duì)炭塊的滲透，延長(zhǎng)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(rùn)濕性好，電耗降低陰極潤(rùn)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(yáng)

7、極材料惰性陽(yáng)極材料惰性鋁電解用陽(yáng)極材料自上個(gè)世紀(jì)惰性鋁電解用陽(yáng)極材料自上個(gè)世紀(jì)50年代開(kāi)始研究，幾經(jīng)起伏，主要困年代開(kāi)始研究，幾經(jīng)起伏，主要困難是沒(méi)有合適的電極材料。難是沒(méi)有合適的電極材料。惰性陽(yáng)極材料必須具備的性能：惰性陽(yáng)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(yáng)極材料的具體性能要求惰性陽(yáng)極材料的具體性能要求（1）導(dǎo)電率大于現(xiàn)有炭陽(yáng)極；）導(dǎo)電率大于現(xiàn)有炭陽(yáng)極；（2）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

8、，）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(yáng)極的意義使用惰性陽(yáng)極的意義（1）陽(yáng)極無(wú)）陽(yáng)極無(wú)CO2排出，只有排出，只有O2；（2）陽(yáng)極不消耗，無(wú)需更換，電解槽）陽(yáng)極不消耗，無(wú)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(yáng)極材料有希望的惰性陽(yáng)極材料金屬氧化物陶瓷：金屬氧化物陶瓷：金屬陽(yáng)極表面金屬陽(yáng)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(guò)添加合金元素提高鋁的純鋁的強(qiáng)度低，通過(guò)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

9、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、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

10、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)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

11、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(guò)渡族元的纖維狀組織，通常加入少量過(guò)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(zhǎng)，伸長(zhǎng)200%不發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。不發(fā)生晶粒長(zhǎng)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

12、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(zhǎng)左右，長(zhǎng)期在干冰中存放，性能無(wú)變化。期在干冰中存放，性能無(wú)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(kāi)始硬化，放置天硬度達(dá)到最大后開(kāi)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：將淬火得到的過(guò)飽和固溶體將淬火得到的過(guò)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，

13、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(guò)程合金的時(shí)效過(guò)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(wú)獨(dú)立的晶體結(jié)構(gòu)，與母相完全共區(qū)無(wú)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。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，

14、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(zhǎng)大。長(zhǎng)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?，?qiáng)度升高。晶格畸變?cè)龃?，?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=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

15、失去共格，應(yīng)力場(chǎng)減小。合金硬度、強(qiáng)度下降，開(kāi)始場(chǎng)減小。合金硬度、強(qiáng)度下降，開(kāi)始進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段。進(jìn)入過(guò)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(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，進(jìn)一步提高溫度和延長(zhǎng)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(guò)飽和過(guò)飽和 GP區(qū)區(qū) 過(guò)渡相過(guò)渡相 過(guò)渡相過(guò)渡相 （CuAl2）有時(shí)上面幾相可能同時(shí)存在。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

16、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(zhǎng)形態(tài)對(duì)其性能具有決定性影響，生長(zhǎng)形態(tài)對(duì)其性能具有決定性影響，凝固過(guò)程控制、細(xì)化凝固組織、改變凝固過(guò)程控制、細(xì)化凝固組織、改變共晶組織生長(zhǎng)形態(tài)，是控制鑄造鋁硅共晶組織生長(zhǎng)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)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。（

17、）（）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.Al-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

18、鋁”二字漢語(yǔ)二字漢語(yǔ)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Al-Si合金相圖合金相圖Al-Si系合金的鑄造及其變質(zhì)處理系合金的鑄造及其變質(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，

19、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(guò)的變質(zhì)劑撒變質(zhì)處理的方法是：將預(yù)熱過(guò)的變質(zhì)劑撒入合金液面上，保持入合金液面上，保持10

20、12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 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(wú)完全統(tǒng)一解關(guān)于變質(zhì)機(jī)理，目前尚無(wú)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(zhǎng)的，最后形成粗大的針狀形態(tài)。加向生長(zhǎng)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