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(fā)，具體介紹了鋁合金的退火和淬火時(shí)效的關(guān)鍵技術(shù)，分析某些大型鋁合金元件容易產(chǎn)生的熱處理變形過大的問題，并提出相關(guān)控制措施。

關(guān)鍵詞：鋁合金；熱處理技術(shù)；退火；淬火

中圖分類號(hào)：TG166.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）06-0024-02

隨著有色金屬技術(shù)的迅猛發(fā)展，鋁合金以密度低、強(qiáng)度強(qiáng)、熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好、抗腐蝕性和冷切削加工性能優(yōu)等突出優(yōu)勢，成為航空工業(yè)、軍工、造船、醫(yī)療、民用建筑、礦山冶金、汽車和機(jī)械制造等行業(yè)最常用的結(jié)構(gòu)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(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就該技術(shù)進(jìn)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(shí)是指改變金屬產(chǎn)品的機(jī)械性能、冶金機(jī)構(gòu)或殘余應(yīng)力狀態(tài)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(guī)范，對(duì)鋁合金加熱速度進(jìn)行控制，在溫度升至某一適宜溫度時(shí)，保持該溫度一定時(shí)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(jìn)而改善鋁合金材料內(nèi)在質(zhì)量，達(dá)到賦予或改善其使用性能的目的。從本質(zhì)上而言，鋁合金的熱處理其實(shí)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(diǎn)：①提高鑄件的機(jī)械性能，保證優(yōu)良的工藝塑性，提高合金的強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(nèi)應(yīng)力；③確保鑄件的尺寸和組織的穩(wěn)定性，消除因高溫引起相變產(chǎn)生體積脹大的現(xiàn)象；④消除偏析和針狀組織，改善合金的組織和機(jī)械性能。

2 鋁合金熱處理技術(shù)

2.1 熱處理設(shè)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(shí)間”循環(huán)的可重復(fù)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(jìn)行。具體來說，所用設(shè)備主要有：①軋制用坯錠、卷帶的二次加熱和均勻化生產(chǎn)線；②擠壓鋁錠的均熱生產(chǎn)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(tái)均熱爐、冷卻室、裝卸料臺(tái)、復(fù)合裝卸料車和電控系統(tǒng)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(shí)效來實(shí)現(xiàn)。退火是一種軟化處理，目的是保證一定的塑性和組織的穩(wěn)定性；淬火時(shí)效是一種強(qiáng)化處理，在淬火時(shí)使強(qiáng)化相充分地固溶在鋁材中，在隨后的時(shí)效過程中（又稱沉淀硬化）獲得最大的強(qiáng)化效果。

2.2.1 退火

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

2.2.1.1 去應(yīng)力退火

鑄件、焊接件、切削加工件、塑性變形工件等的殘余內(nèi)應(yīng)力往往很大，這不僅加劇了應(yīng)力的腐蝕性，還降低了組織和機(jī)械性能的穩(wěn)定性。因此，需要做應(yīng)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(shí)間后再緩慢冷卻，此過程是為了在升溫的同時(shí)增大原子的活動(dòng)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(shí)降低晶格的扭曲能量。采用去應(yīng)力退火可以大大降低晶格的彈性畸變，減小內(nèi)應(yīng)力，在穩(wěn)定尺寸并減小應(yīng)力腐蝕傾向的同時(shí)，又確保了一定的強(qiáng)度和硬度。

2.2.1.2 再結(jié)晶退火

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

2.2.1.3 均勻化退火

對(duì)鑄件或鑄錠進(jìn)行澆注時(shí)，一旦冷卻速度過快，會(huì)使結(jié)晶在不平衡狀態(tài)下進(jìn)行，這樣往往會(huì)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(duì)合金的強(qiáng)度、硬度、抗蝕性造成極大的影響。因此，為避免以上情況發(fā)生，需要進(jìn)行均勻化退火，即將合金加熱到接近熔點(diǎn)的溫度，保持一定時(shí)間后再緩慢冷卻。均勻化的過程其實(shí)是原子擴(kuò)散的過程，因此也被稱為擴(kuò)散退火，要確保其質(zhì)量，關(guān)鍵是要抓好加熱溫度和保溫時(shí)間兩大要素。

2.2.2 淬火時(shí)效

淬火也稱固溶化處理，其實(shí)質(zhì)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(shí)間，隨后快速地將仍在高溫狀態(tài)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(tài)，并加以人工時(shí)效，從而使固溶體獲得最大的強(qiáng)化效果。一般而言，固溶化處理的溫度愈高，與共晶轉(zhuǎn)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(tài)下結(jié)晶會(huì)出現(xiàn)非平衡的共晶體，因此，應(yīng)確保淬火溫度低于熔點(diǎn)共晶的熔點(diǎn)。對(duì)此，可采取分級(jí)加溫的方式，初始溫度應(yīng)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(xù)提高溫度至此接近固相線的溫度，進(jìn)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(jī)械性能。此外，在進(jìn)行固溶化處理時(shí)，保溫時(shí)間的長短取決于強(qiáng)化相溶入固溶體中所需的時(shí)間，一般而言，鋁合金中強(qiáng)化相溶入固溶體的速度越大，則保溫時(shí)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(shí)間更長；鋁合金中強(qiáng)化相的擴(kuò)散速度大，則保溫時(shí)間可相應(yīng)縮短，例如從擴(kuò)散速度來說，Mg2Si>CuAl2>Mg2Al，因此Al-Si-Mg合金的保溫時(shí)間較Al-Cu，A1-Mg可相應(yīng)縮短。

3 熱處理工藝過程控制

在實(shí)際中，很多鋁合金元件形狀復(fù)雜、尺寸較大、壁厚不勻，在現(xiàn)有的設(shè)備和工藝條件下，可能會(huì)造成各種熱處理缺陷，例如裂紋、變形和機(jī)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(zhì)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(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)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(yīng)力也相應(yīng)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(yīng)力，進(jìn)而降低加熱變形的概率。需指出的是，由于加熱速度對(duì)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(duì)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(diǎn)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(jìn)而減小變形。例如ZL111鋁合金，可在到達(dá)固溶溫度前，在490 ℃和500 ℃兩個(gè)溫度階段進(jìn)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(yīng)降低升溫速度，進(jìn)而有效控制變形。③控制元件的入爐溫度。在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，鋁合金固溶爐在一爐元件淬火后，往往接著進(jìn)行下一爐，此時(shí)爐內(nèi)仍舊處于高溫狀態(tài)，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(guī)定元件的入爐溫度，保證元件在爐溫降至規(guī)定溫度后才能進(jìn)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(shí)，冷卻速度與熱應(yīng)力往往成正比，速度越快熱應(yīng)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(dāng)?shù)貙?duì)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(zhì)，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(duì)水溫的規(guī)定范圍通常較大，可為60～100 ℃，實(shí)際操作中對(duì)水溫的控制要求也不嚴(yán)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(duì)冷卻速度的影響，并做好嚴(yán)格的控制，在確保達(dá)到所需冷卻效果的前提下，提高水溫，進(jìn)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(jié)構(gòu)限制，并非所有的鋁合金元件都適合校正。對(duì)符合校正要求但在熱處理變形仍不能滿足機(jī)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(shí)效前強(qiáng)度低、塑性好的特點(diǎn)進(jìn)行校正，例如可在固溶處理前采用重物擠壓的方法對(duì)ZL111鋁合金進(jìn)行校正，減小其平面翹曲。

當(dāng)前，鋁合金產(chǎn)品的應(yīng)用呈現(xiàn)越來越廣泛的趨勢，對(duì)其熱處理質(zhì)量的要求也越來越高，這就要求相關(guān)工作人員要不斷加大對(duì)熱處理工藝技術(shù)的研究，改善和提高鋁合金的綜合性能，保證熱處理的質(zhì)量，促進(jìn)其更廣泛地被應(yīng)用。

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〔編輯：李玨〕