铝合金热处理1340602405陈仕博

1、金属热处理金属热处理铝合金及其热处理铝合金及其热处理陈仕博陈仕博 1340602405铝及铝合金概述铝及铝合金概述（）用量仅次于钢，地壳中储量第一；（）用量仅次于钢，地壳中储量第一；（）铝的性能：力学、电学；（）铝的性能：力学、电学；（）铝与航空工业；（）铝与航空工业；（）人们一直在努力提高铝合金的性（）人们一直在努力提高铝合金的性能，例如日本的超级铝项目，提高铝能，例如日本的超级铝项目，提高铝合金的纯度，使用变形热处理和粉末合金的纯度，使用变形热处理和粉末冶金工艺提高铝合金的性能，等等。冶金工艺提高铝合金的性能，等等。铝的电解生产技术铝的电解生产技术铝合金的消费量是仅次于钢铁的金铝合金的消费

2、量是仅次于钢铁的金属材料。门窗、铝灌、汽车，等等。属材料。门窗、铝灌、汽车，等等。铝代替合金钢后，可减少铝代替合金钢后，可减少Cu、Cr、Ni等元素的消耗。等元素的消耗。铝生产的问题：耗能大，每吨铝耗铝生产的问题：耗能大，每吨铝耗能是钢的能是钢的4.5倍；污染物排放大，如排倍；污染物排放大，如排放放CO2是钢的是钢的7-9倍。倍。 加入加入NaF 、Al2F6 、LiF 、CaF2 、MgF2 调节电解质温度，降低调节电解质温度，降低900以下，每降以下，每降100100，节电，节电1.5kw.h1.5kw.h。电解槽超大型化发展电解槽超大型化发展阳极（石墨）阳极（石墨）阴极（石墨）阴极（石墨

3、）熔盐熔盐NaF Al2F6 LiF CaF2 MgF2 电解铝示意图电解铝示意图CO2HFC铝电解烟气净化铝电解烟气净化阳极消耗，生成阳极消耗，生成CO2。电解槽中还。电解槽中还经常挥发出气态氟化物（经常挥发出气态氟化物（HF）。）。目前常用的净化烟气的方法：干法目前常用的净化烟气的方法：干法净化，利用氧化铝吸附氟化物。但干净化，利用氧化铝吸附氟化物。但干法净化法无法吸收二氧化碳。法净化法无法吸收二氧化碳。铝电解用新材料铝电解用新材料（1）惰性阴极材料）惰性阴极材料传统电解槽的问题：铝液与炭块润湿传统电解槽的问题：铝液与炭块润湿性不好，不能有效接触，影响电流效率。性不好，不能有效接触，影响电

4、流效率。在电解过程中实际上是铝液与炭块一起在电解过程中实际上是铝液与炭块一起构成阴极。在电磁力的作用下，铝液不构成阴极。在电磁力的作用下，铝液不断波动，电能耗增加。断波动，电能耗增加。另外，冰晶石和铝液渗入炭块，使之另外，冰晶石和铝液渗入炭块，使之膨胀破坏。膨胀破坏。可润湿惰性阴极的优点可润湿惰性阴极的优点（1）新型槽的阴极上不需要厚的铝液）新型槽的阴极上不需要厚的铝液层，磁场的作用几乎降到零，铝液面层，磁场的作用几乎降到零，铝液面保持平整；保持平整；（2）极距大为降低；）极距大为降低；（3）极距降低减少电能消耗，极距降）极距降低减少电能消耗，极距降低低1cm，可节电，可节电1000kWh/t

5、(Al)；（4）延长电解槽的使用寿命。）延长电解槽的使用寿命。TiB2惰性阴极材料惰性阴极材料目前认为，目前认为，TIB2是唯一在铝液中溶是唯一在铝液中溶解度很小、导电率高、能被铝液润湿解度很小、导电率高、能被铝液润湿的材料。的材料。可润湿阴极的优点：极距降低可润湿阴极的优点：极距降低1厘米，厘米，可可节电节电1000kwh/t(Al)。硼化钛涂层及硼化钛复合材料阴极硼化钛涂层及硼化钛复合材料阴极（1）硼化钛涂层阴极）硼化钛涂层阴极涂料成分：涂料成分：TiB230%60%，炭素填料，炭素填料1840，有机树脂，有机树脂2035。涂层工艺：涂层工艺：刷涂。刷涂。涂层效果：涂层效果：涂层对铝液润湿

6、性好，可阻挡电涂层对铝液润湿性好，可阻挡电解质对炭块的渗透，延长阴极使用寿命；降解质对炭块的渗透，延长阴极使用寿命；降低电阻率低电阻率50，提高电流密度，降低能耗。，提高电流密度，降低能耗。（2）硼化钛复合阴极）硼化钛复合阴极材料成分：材料成分：TiB2粉、炭素填料、粘结粉、炭素填料、粘结剂。制备工艺：炭素块表面预先处理，剂。制备工艺：炭素块表面预先处理， TiB2复合粉料置于炭素块表面，之后压复合粉料置于炭素块表面，之后压制成形，最后烧结。制成形，最后烧结。使用效果：使用效果：阴极润湿性好，电耗降低阴极润湿性好，电耗降低188kWh/t(Al)，电解槽寿命提高，电解槽寿命提高2年。年。惰性阳

7、极材料惰性阳极材料惰性铝电解用阳极材料自上个世纪惰性铝电解用阳极材料自上个世纪50年代开始研究，几经起伏，主要困年代开始研究，几经起伏，主要困难是没有合适的电极材料。难是没有合适的电极材料。惰性阳极材料必须具备的性能：惰性阳极材料必须具备的性能：（1）1000以上耐熔融氟化物的侵蚀；以上耐熔融氟化物的侵蚀；（2 2）良好的导电性；）良好的导电性；（3 3）良好的抗热振性。）良好的抗热振性。惰性阳极材料的具体性能要求惰性阳极材料的具体性能要求（1）导电率大于现有炭阳极；）导电率大于现有炭阳极；（2）腐蚀率小于）腐蚀率小于100mm/n，寿命大于，寿命大于5年；年；（3）铝质量等于或优于现有铝质量

8、，）铝质量等于或优于现有铝质量，不含不含Be、Cr等有害环境的元素。等有害环境的元素。使用惰性阳极的意义使用惰性阳极的意义（1）阳极无）阳极无CO2排出，只有排出，只有O2；（2）阳极不消耗，无需更换，电解槽）阳极不消耗，无需更换，电解槽全密封；全密封；（3）能耗下降）能耗下降423。有希望的惰性阳极材料有希望的惰性阳极材料金属氧化物陶瓷：金属氧化物陶瓷：金属阳极表面金属阳极表面CeO2涂层涂层NiO-NiFe2O4+CuAg铝的合金化铝的合金化纯铝的强度低，通过添加合金元素提高铝的纯铝的强度低，通过添加合金元素提高铝的强度。强度。主要强化方法：固溶强化，沉淀强化。主要强化方法：固溶强化，沉淀

9、强化。Zn、Ag、Mg在铝中的溶解度大于在铝中的溶解度大于10%； Zn、Ag固溶效果差。固溶效果差。Cu、Li、Mn、Si在铝中的溶解度大于在铝中的溶解度大于1%；Al-Mg合金固溶强化效果好，防锈铝合金；合金固溶强化效果好，防锈铝合金；Al-Cu耐热性好；耐热性好；Al-Si铸造性能好。铸造性能好。沉淀强化沉淀强化获得明显沉淀强化效果的条件：获得明显沉淀强化效果的条件：（）合金元素溶解度高，随温度变化（）合金元素溶解度高，随温度变化明显；明显；（）析出相均匀、弥散，与基体之间（）析出相均匀、弥散，与基体之间形成共格或半共格的关系时强化效果形成共格或半共格的关系时强化效果明显。明显。典型的沉

10、淀硬化铝合金典型的沉淀硬化铝合金Al-Cu合金是唯一获得明显沉淀强化效果合金是唯一获得明显沉淀强化效果条件的二元铝合金。条件的二元铝合金。多数沉淀强化铝合金组元数都在三元以上，多数沉淀强化铝合金组元数都在三元以上，为的是形成新的强化相。为的是形成新的强化相。Al-Zn-Mg，强化相：，强化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3Al-Mg-Si，强化相：，强化相：Mg2SiAl-Cu-Mg，强化相：，强化相：CuAl2 、Al2CuMg铝合金的细晶强化铝合金的细晶强化细化晶粒、细化亚结构能使铝合金的细化晶粒、细化亚结构能使铝合金的强度提高约强度提高约1030%。为了使制品在热处理后保留未再结晶为了使

11、制品在热处理后保留未再结晶的纤维状组织，通常加入少量过渡族元的纤维状组织，通常加入少量过渡族元素（素（Mn、Cr、Zr、Ti）提高再结晶温度）提高再结晶温度。晶粒直径为微米级的细晶铝合金可产晶粒直径为微米级的细晶铝合金可产生超塑性。例如生超塑性。例如Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn，伸长，伸长200%不发生晶粒长大。不发生晶粒长大。铝合金的热处理原理铝合金的热处理原理铝合金的基本热处理形式是退火与铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效。淬火时效。退火的主要目的是获得稳定的组织退火的主要目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性。或优良的工艺塑性。时效的目的主要是提高铝合金的强度。时效的目

12、的主要是提高铝合金的强度。Al-CuAl-Cu合金的时效合金的时效Al-Cu合金放入干冰（合金放入干冰（-78）中固）中固溶处理，抗拉强度为溶处理，抗拉强度为200MPa左右，长左右，长期在干冰中存放，性能无变化。期在干冰中存放，性能无变化。从干冰中取出在室温存放，小时从干冰中取出在室温存放，小时后开始硬化，放置天硬度达到最大后开始硬化，放置天硬度达到最大值。值。50存放，天后硬度达到最大值。存放，天后硬度达到最大值。自然时效与人工时效的概念自然时效与人工时效的概念自然时效：自然时效：将淬火得到的过饱和固溶体将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于置于室温或低于100温度的环境下，温度的环境下，

13、由于停留时间的增加硬度和强度增高由于停留时间的增加硬度和强度增高的现象，称为自然时效。的现象，称为自然时效。人工时效：人工时效：100以上温度造成的时效以上温度造成的时效称为人工时效。称为人工时效。Al-Cu合金的时效过程合金的时效过程（）（）GP区的形成区的形成为什么先形成为什么先形成GP区？区？GP区无独立的晶体结构，与母相完全共区无独立的晶体结构，与母相完全共格，在与格，在与GP区垂直的晶向上产生弹性区垂直的晶向上产生弹性收缩。收缩。GP区厚：几个原子。区厚：几个原子。直径：直径：10nm。GP区间距：区间距：2-4nm。AlCu25.65%Al-Cu合金相图合金相图GP区模型，区模型，

14、Cu原子在原子在Al的的100面上偏聚面上偏聚（）（）生成生成时效温度升高，时效温度升高， GP区直径急剧区直径急剧长大。长大。Cu、Al原子逐渐形成规则排列，原子逐渐形成规则排列，形成正方有序结构。形成正方有序结构。a=b=4.04（Al：4.05）。）。c轴轴7.68，比，比Al晶格常数的倍晶格常数的倍（8.08）略小，）略小，c轴产生轴产生4%的错配度，的错配度，晶格畸变增大，强度升高。晶格畸变增大，强度升高。（）（）的生成的生成20012小时时效，生成小时时效，生成。正方。正方点阵点阵a=b=4.04， c轴轴5.80，名义成，名义成分分CuAl2，与基体局部失去共格，应力，与基体局部

15、失去共格，应力场减小。合金硬度、强度下降，开始场减小。合金硬度、强度下降，开始进入过时效阶段。进入过时效阶段。Al-Cu合金中合金中、 及及相的晶体结构相的晶体结构（）（）相生成相生成进一步提高温度和延长时效时间，进一步提高温度和延长时效时间， 转变成转变成（CuAl2）。）。 相属于体心正相属于体心正方点阵，与基体失去共格关系，合金方点阵，与基体失去共格关系，合金强度和硬度明显降低。强度和硬度明显降低。过饱和过饱和 GP区区 过渡相过渡相 过渡相过渡相 （CuAl2）有时上面几相可能同时存在。有时上面几相可能同时存在。铸造铝合金铸造铝合金铝合金是最重要的工业结构材料铝合金是最重要的工业结构材

16、料之一，铸造铝硅合金是在航空航天、之一，铸造铝硅合金是在航空航天、机械、电子等工业中大量应用的重要机械、电子等工业中大量应用的重要结构材料，凝固组织特别是共晶硅的结构材料，凝固组织特别是共晶硅的生长形态对其性能具有决定性影响，生长形态对其性能具有决定性影响，凝固过程控制、细化凝固组织、改变凝固过程控制、细化凝固组织、改变共晶组织生长形态，是控制铸造铝硅共晶组织生长形态，是控制铸造铝硅合金性能的重要措施。合金性能的重要措施。主要的铸造铝合金主要的铸造铝合金（）（）Al-Si、Al-Si-Mg系，强度中等，常温系，强度中等，常温使用，适合铸造复杂形状零件，常用。使用，适合铸造复杂形状零件，常用。（

17、）（）Al-Cu，热强性好，工作温度高，铸造，热强性好，工作温度高，铸造工艺性好，抗腐蚀性较低。工艺性好，抗腐蚀性较低。（）（）Al-Mg，强度高，切削性能好，耐蚀，强度高，切削性能好，耐蚀性、铸造性较差。性、铸造性较差。（）（）Al-Re，耐热性好，铸造工艺性好，室，耐热性好，铸造工艺性好，室温强度低。温强度低。（）（）Al-Zn，有自淬火性，可直接自然时效。，有自淬火性，可直接自然时效。比重大，耐热性较差。比重大，耐热性较差。A ssessed A l-M g phase diagram.Al-Mg二元合金相图二元合金相图铸造铝合金的编号铸造铝合金的编号铸造铝合金采用铸造铝合金采用“铸铝铸

18、铝”二字汉语二字汉语拼音字头拼音字头ZL表示，其后有三个数字，表示，其后有三个数字，第一个代表合金系，其余为合金顺序第一个代表合金系，其余为合金顺序号。号。例如：例如：ZL102，表示，表示Al-Si系第一号铸铝。系第一号铸铝。Al-Si系合金的牌号及主要成分系合金的牌号及主要成分Al-Si合金相图合金相图Al-Si系合金的铸造及其变质处理系合金的铸造及其变质处理Al-Si二元合金共晶体中，硅呈粗二元合金共晶体中，硅呈粗大针状，严重影响合金的性能，不能大针状，严重影响合金的性能，不能作为工业合金使用。直至作为工业合金使用。直至1921年发现年发现了变质处理方法，改变了硅的形状，了变质处理方法，

19、改变了硅的形状，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广泛应用。一般硅大于广泛应用。一般硅大于6%的铸造铝合的铸造铝合金都要求在合金精炼后进行变质处理。金都要求在合金精炼后进行变质处理。未变质的未变质的(a)和变质处理后的和变质处理后的(b) Al-12%Si合金组织合金组织 500(a)(b)常用变质剂及变质处理方法常用变质剂及变质处理方法二元变质剂：二元变质剂：2/3NaF+1/3NaCl三元变质剂三元变质剂:25%NaF+62%NaCl+13%KCl变质处理的方法是：将预热过的变质剂撒变质处理的方法是：将预热过的变质剂撒入合金液面上，保持入合金液面上，保持10

20、12分钟至变质剂分钟至变质剂熔化。此时应不断地打碎硬壳使气体排熔化。此时应不断地打碎硬壳使气体排除 ， 并 将 碎 硬 壳 压 入 合 金 液 面 下 约除 ， 并 将 碎 硬 壳 压 入 合 金 液 面 下 约100150毫米，时间约毫米，时间约35分钟。分钟。变质处理的机理变质处理的机理关于变质机理，目前尚无完全统一解关于变质机理，目前尚无完全统一解释，比较流行的是吸附理论：硅在铝内的释，比较流行的是吸附理论：硅在铝内的晶体具有大量孪晶，硅晶体是以孪晶的方晶体具有大量孪晶，硅晶体是以孪晶的方向生长的，最后形成粗大的针状形态。加向生长的，最后形成粗大的针状形态。加钠以后，形成大量（钠以后，形成大量（NaAl）Si2的结晶核心的结晶核心与铝形成共晶，使共晶成分产生偏移。同与铝