淺談提高鋁合金材料性能的熱處理

玄寶

摘要：我國當(dāng)前國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，刺激更多的基礎(chǔ)行業(yè)加快發(fā)展步伐。隨著國際形勢的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，重視工業(yè)生產(chǎn)及其材料裝備的工作任重道遠(yuǎn)。鋁合金作為一種重要的戰(zhàn)略合金金屬，在航空、航天、船舶、民用建筑、醫(yī)療以及軍事工業(yè)等眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用推廣，已經(jīng)變得不可替代。當(dāng)前我國對高強鋁合金的熱處理技術(shù)研究距離國際最先進(jìn)水平尚有進(jìn)步空間，從業(yè)工作者應(yīng)該積極探討如何運用熱處理技術(shù)來提供鋁合金的材料性能，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，裝備突破，為我國的重工業(yè)發(fā)展提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋁合金；熱處理；材料性能

1 鋁合金分類

鋁合金是鋁金屬與添加材料在高溫下共同發(fā)生作用后形成的金屬材質(zhì)。一般來講，鋁合金的分類原則是可以從不同的角度進(jìn)行區(qū)分。按照生產(chǎn)工藝的不同可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金；按照熱處理能力的不同可以分為可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金；而按照鋁合金材料的性能屬性又可以分為高塑性鋁合金、高強度鋁合金、中強度鋁合金、熱強鋁合金和耐蝕鋁合金。

2 鋁合金的熱處理概述

2.1 簡述熱處理

熱處理工序就是實施加熱和冷卻的操作，通過操作實現(xiàn)對金屬產(chǎn)品機械性能的調(diào)整和改變。鋁合金的熱處理，旨在通過特殊處理，是合金的沉淀硬化中通過鍛壓和鑄造手段提高強度和硬度。鋁合金的熱處理技術(shù)，不但能夠?qū)⒓庸み^程中鋁合金的強度和硬度雙提高，同時消除可金屬自身擁有的內(nèi)應(yīng)力，能夠使處理后的產(chǎn)品擁有均勻的結(jié)構(gòu)與良好的性能。鋁合金的熱處理主要有淬火、時效、退火等方式方法。淬火是將鋁合金在恒定溫度下加熱達(dá)到一定時間，然后迅速浸入介質(zhì)中快速冷卻的方法。而退火工序，相當(dāng)于是鋁合金的軟化處理，通過退火能夠提升合金的可塑性能力。

2.2 鋁合金熱處理特點

經(jīng)過熱處理可提高材料強度和硬度的合金可以稱之為可熱處理強化合金，與之相對應(yīng)的不可熱處理合金，則是不可通過熱處理。非熱處理合金，主要是靠冷加工來提供合金在時的材料強度。鋁合金鑄件如果需要更改其合金組織，需要在某一份熱處理規(guī)范下，控制在某個溫度的加熱時間和加熱速度，在加熱后一定要保持快速冷卻的時間把握。通過熱處理后的合金，力學(xué)性能顯著提高，化學(xué)性質(zhì)中耐腐蝕能力也實現(xiàn)突破，加工性能得到改善，合金工件的外形將牢固不易變形。

3 鋁合金熱處理作用原理分析

鋁合金主要通過退火和淬火時效來完成熱處理。退火作為一種軟化操作工藝能夠?qū)⒉牧现械膬?nèi)應(yīng)力消除至盡，從而使合金變軟。結(jié)構(gòu)組織維持平衡狀態(tài)。淬火屬于強化熱處理，通過淬火過程，合金的物理特性、機械強度大大增加。

3.1 退火工序

內(nèi)應(yīng)力作為嚴(yán)重影響鋁合金質(zhì)量的重要因素，常中表現(xiàn)為內(nèi)應(yīng)力不均勻，組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，一旦測得金屬內(nèi)有殘留內(nèi)應(yīng)力，鋁合金的綜合性能勢必大打折扣，可能直接出現(xiàn)塑性降低、耐蝕性減弱、機械性能損失等狀況。退火工藝正好能夠消除或者減少這些工藝缺陷。

3.1.1 去應(yīng)力退火工藝

去應(yīng)力退火技術(shù)主要運用在合金鑄件、焊接件、切削加工件、塑性變形工件等工業(yè)零部件上。這些零部件表面看并沒有什么質(zhì)量問題，然后有內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力存在導(dǎo)致合金的腐蝕作用極易發(fā)生。去應(yīng)力退火能夠?qū)崿F(xiàn)合金組織及機械性能的穩(wěn)定性增加。熱處理時，晶體的晶格會隨著溫度升高發(fā)生變化，晶格的扭曲能量降低，呈現(xiàn)正常的排列組合狀態(tài)，也能夠有效降低晶格彈性畸變能，通過這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化最終導(dǎo)致金屬制件的內(nèi)應(yīng)力大大減小。一旦內(nèi)應(yīng)力降低，合金工件的外形就不再發(fā)生隨意變形，尺寸穩(wěn)定的情況下，工件的強度、硬度也能夠保持穩(wěn)定。

3.1.2 再結(jié)晶退火工藝

再結(jié)晶退火工藝的使用，主要是需要將工件加熱使其再結(jié)晶的溫度以上再加以緩慢冷卻。再結(jié)晶退火的目的能夠直接促進(jìn)晶體的晶粒細(xì)微化，提高合金的塑性變形作用，有效消除內(nèi)應(yīng)力，同時將直接影響并減小合金的硬度。如果能夠從正確的技術(shù)手段上控制熱處理的加熱溫度、保溫時間和加熱的速率，就能夠獲得足夠多的細(xì)小晶粒。拿同一塊合金金屬做研究能夠得出，熱處理的加熱溫度如果升高，保溫時間則相應(yīng)縮短，這樣才能保證合金不會出現(xiàn)一次再結(jié)晶。而相反情況下，熱處理的加熱溫度如果降低，保溫時間就應(yīng)該相應(yīng)延長，只有這樣才能保證結(jié)晶過程是充分的，再結(jié)晶退火的工藝目的才能實現(xiàn)。當(dāng)然在后者情況下，保溫時間也存在限度。如果過長時間保溫，合金工件的生產(chǎn)效率直接受到影響，不利于規(guī)模生產(chǎn)。

3.1.3 均勻化退火工藝

澆注鋁合金的鑄件或鑄錠時，結(jié)晶會在鑄件迅速冷卻后產(chǎn)生，此時鑄件整體組織處于不平衡狀態(tài)。這種不平衡狀態(tài)會導(dǎo)致偏析、不平衡共晶體等缺陷產(chǎn)生，嚴(yán)重降低合金的性能，使其強度、硬度和抗腐蝕性能都降低。這種情況下就應(yīng)該使用均勻化退火工藝。要積極調(diào)整控制合金熱處理加熱的溫度，使其無限接近于合金的熔點閥值，在加熱一段時間后再慢速冷卻。實際上，均勻化退火可以稱之為擴散性退火，主要是由于均勻化退火加強了微粒子之間的擴散。均勻化退火工藝下的合金性能主要受到加熱溫度和保溫時間的影響。

3.2 淬火工序

淬火工序就是工業(yè)操作中的固溶處理。影響淬火的因素也包含熱處理的加熱溫度，保溫時間和冷卻溫度。一般情況下，如果淬火加熱溫度值和保溫時間取值越大，則強化相溶解的物理過程越充分，晶體的晶格中排列分布合金元素的狀態(tài)也就是越均勻，晶格中的格局變化后，其空位濃度將相應(yīng)增加，能較好地促進(jìn)合金時效作用的提高。

3.3 時效作用

合金熱處理的時效作用主要包括自然時效和人工時效，很多時候人工時效就稱為回火。有時候鋁合金容易在常溫下或者淬火時，獲得處于不穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和固溶體，溶體中溶質(zhì)原子容易被激化，從而使合金容易發(fā)生分解和析出過剩溶質(zhì)微粒子。這時就稱為自然時效作用。當(dāng)然，一般由于溫度不會出現(xiàn)高攀現(xiàn)象，析出過程只能持續(xù)到初始階段便會結(jié)束。還有的鋁合金內(nèi)部微粒子在進(jìn)行熱處理時開始運動到等到溫度達(dá)到某數(shù)值時才能析出，回火的運行機理就是如此。一般來講影響同一成分合金的時效強化效果的主要工藝因素包括了時效作用達(dá)到的溫度和活動時間，固溶處理的加熱溫度和冷卻速度，以及時效前的塑性變形等。

3.4 回歸處理

熱處理中還有將已淬火時效得到的鋁合金產(chǎn)品再次通過短時加溫迅速進(jìn)入新淬火狀態(tài)的處理，稱之為回歸處理。通過回歸熱處理，能夠提高鋁合金塑性，這樣得到的材料便于冷彎成形或矯正形位公差。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋁合金材料的熱處理工藝技術(shù)將在不斷的研究和探索中得到優(yōu)化和提升。而熱處理技術(shù)的不斷提升，將有利于逐漸提高鋁合金材料的綜合性能，從而使鋁合金的應(yīng)用更加廣泛，能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮其自身功用。

參考文獻(xiàn)

[1]徐勇，靳鵬飛，田亞強，等. 鋁合金局部熱處理技術(shù)及其在板材成形中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 材料工程，2018，46（5）：44-55.

[2]張江斌，何克準(zhǔn)，李承波，等. 7A09鋁合金熱精軋板熱處理工藝研究[J]. 輕合金加工技術(shù)，2018，46（2）.

（作者單位：天津忠旺科技有限公司）