铝合金淬火工艺

铝合金淬火工艺一．淬火原理挤压铝合金大多数是可热解决强化合金，这些合金挤压后通过固溶热解决和时效，便可提高强度，获得有用的组织和性能。可热解决强化铝合金的明显特点是，其重要合金元素在固态铝中的溶解度随温度升高而大大增加。固溶热解决（或称淬火）普通涉及两个环节，即固溶解决和冷却。第一步是在固溶度曲线温度以上将材料进行热解决形成固溶体，但是温度要低于固相线温度（或共晶温度），热解决所需时间取决于合金中Mg2Si化合物粒子的大小和分布状况以及热解决温度的高低。细小的、高度弥散的Mg2Si化合物粒子比粗大的、聚集的粒子会更快溶解。一定形态的Mg2Si粒子其溶解度随温度的升高而明显提高。第二步是必须使高温下处在固溶状态的合金材料足够快地冷却到室温，以避免Mg2Si的析出，使得合金元素Mg和Si保存在过饱和固溶体中，为时效析出作好准备。二．挤压在线淬火合金但愿含有需要的特性（1）固溶度线和固相线之间的温度范畴宽,易于控制制品出口温度所但愿的固溶温度范畴;（2）在固溶温度下挤压变形力低,尽量减少变形能量和综合温升,获得较高的允许挤压速度;（3）淬火敏感性低,可对多个不同断面制品采用强制风冷而不需采用水淬;（4）采用风冷时材料含有足够的韧性;（5）含有符合构造应用的拉伸强度性能"三．适合挤压在线淬火的合金应含有的条件（1）合金固态溶解度极限与固相线之间范畴宽;（2）合金可允许溶质原子(合金元素)某种程度的分解析出,而不损害材料的使用性能;（3）合金含有良好的可挤压性,挤出制品能较好的流出模具达成淬火装置,使得在模具出口至淬火区之间产生溶质原子(合金元素)的某些析出极少,不至于达成不可接受的程度"（4）合金最佳含有低的临界淬火速度,特别在合金用于生产薄壁复杂型材时可进行空气淬火"鉴于迄今为止对现有铝合金特性的理解,上述条件造成了挤压在线淬火重要局限于Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg系合金"，普通认为,高强度Al-Cu-Mg系合金(如2024合金)和超高强度Al-Zn-Mg-Cu系合金(如7075合金)需要达成最佳的工艺水平才干实现挤压在线淬火。然而,这样高的工艺水平在现在还很难达成,尽管有报道说这两类合金曾在德国二战期间成功地进行了挤压淬火。四．淬火规程的选择原则1.淬火加热温度原则上能够由相图来拟定这类合金的加热温度。淬火加热温度的下限为固溶度曲线，而上限为开始熔化温度。普通进行淬火-时效解决的合金，含合金元素浓度的规定比较严格，允许的波动范畴小，例如某些铝合金淬火温度仅允许有±2℃~±3℃的波动，还规定在加热过程中金属温度能够确保较好的均匀性。因此，淬火加热所采用的设备普通为温度能精确控制以及炉内温度均匀的浴炉和气体循环炉，工件以单片的方式悬挂于炉中，这不仅能确保均匀加热，并且能确保淬火时均匀冷却。固然，对于淬火温度范畴较宽的合金，淬火加热就易于控制。淬火时金属内部会发生一系列物理-化学变化，除最重要的相态变化外，还会产生再结晶、晶粒长大以及与周边介质的作用等，这些变化对淬火后合金的性能都会带来影响。在拟定淬火温度时，应根据不同合金的特点予以考虑。例如，在不发生过烧的前提下，提高淬火温度有助于时效强化过程，但某些合金在高温下晶粒长大倾向大，则应限制最高的加热温度。过烧是淬火时易于出现的缺点。轻微过烧时，表面特性不明显，显微组织观察到晶界稍变粗，并有少量球状易熔构成物，晶粒亦较大。反映在性能上，冲击韧性减少，腐蚀速率大为增加。严重过烧时，除了晶界出现易熔物薄层，晶内出现球状易熔物外，粗大的晶粒晶界平直、严重氧化，三个晶粒的衔接点呈黑三角，有时出现沿晶界的裂纹。在制品表面，颜色发暗，有时也出现气泡等凸出颗粒。2.淬火加热保温时间保温的目的在于使相变过程能够充足进行（过剩相充足溶解），使组织充足转变到淬火需要的形态。在工业成批生产的条件下，保温时间应当自炉料最冷部分达成淬火温度的下限算起。保温时间的长短，重要取决于成分、原始构成及加热温度。温度越高，相变速率越大，所需保温时间越短。材料的预先解决和原始组织（涉及强化相尺寸、分布状态等）对保温时间也有很大影响。普通，铸态合金中的第二相较为粗大，溶解速率较小，它所需要的保温时间远比变形后的合金为长。就同一变形合金来说，变形程度大的要比变形程度小的所需时间短。退火状态合金中，强化相尺寸较已淬火-时效后的合金粗大，故退火合金状态合金淬火加热保温时间较重新淬火保温的时间长得多。保温时间还与装炉量、工件厚度、加热方式等因素有关。装炉量越多、工件越厚，保温时间越长。浴炉加热比气体介质加热速度快，时间短。为获得细晶粒组织并避免晶粒长大，在确保强化相全部溶解的前提下，尽量采用快速加热及短的保温时间是合理的。3.淬火速度合金淬火时的冷却速度必须确保过饱和固溶体被固定下来不分解避免强化相的析出，减少淬火时效后的力学性能。因此淬火时的冷却速度越快越好。但是冷却速度越大，淬火制品的残存应力和残存变形也越大，因此冷却速度普通要根据不同的合金和不同形状、尺寸的制品来拟定。合金的淬火敏感性越强，选择的淬火冷却速率就越大。如2A11、2A12铝合金淬火冷却速率应在50℃/s以上，而7A04铝合金对冷却速率非常敏感，其淬火速率规定在170℃/s。五.淬火应力工件在淬火介质中快速冷却时产生热应力，从而造成材料产生不均匀变形。对于铝合金厚板（厚度>=6mm），特别是超厚板（厚度>=50mm），淬火应力问题更加突出。淬火后的残存应力会影响到材料的力学性能，如抗应力腐蚀性能、断裂韧度和抗疲劳性能等。如果淬火制品需要进行切削加工解决，可能会影响到淬火应力的亚稳平衡，使淬火制品产生扭拧、翘曲和弯折等缺点。合金在淬火冷却过程中工件内沿截面产生一定的温度梯度，表面温度低，心部温度高，表面和心部存在温度差。温度梯度对淬火应力的大小有着重要的影响，而影响温度梯度的淬火工艺因素重要有淬火加热温度、淬火速度、工件截面尺寸和工件截面形状。为了减少淬火后合金的残存应力，应当适宜减少淬火冷却速率以减小温度梯度。这种做法对于复杂截面、壁厚差较大的型材特别重要。较为普通的办法就是将淬火介质水的温度提高至60-80℃，也可采用等温淬火和中断淬火技术，或者采用液氮和某些有机介质进行淬火，这样可使工件缓和均匀地冷却，可明显的减小不均匀变形和淬火应力。但是对于淬火敏感的合金，当淬火冷却速度下降到一定程度时。合金时效后的力学性能就会不达标，因此在确保合金力学性能的前提下适宜减小淬火冷却速率是减小淬火应力的有效方法。六.淬火敏感性淬火敏感性反映的是淬火冷却速率与时效强化效果的有关性，涉及到材料高温状态向低温状态转变的动力学理论。对于无多型性转变的扩散型相变材料，如果合金的淬火敏感性越高，阐明合金经固溶解决后形成的过饱和固溶体的稳定性就越低，合金就越能在较高的淬火冷却速率条件下将过饱和形式从固溶温度固定至室温。有关研究表明，淬火敏感性产生的因素是由于合金经缓冷时发生平衡相的脱溶析出，这样不仅减少了合金的过饱和度，并且在时效过程中长大，吸取周边的溶质原子产生贫溶质区，克制了GP区和亚稳相的脱溶析出，最后削弱了合金时效强化效果。1.淬火敏感性机理众所周知，7000系铝合金的高强度和高硬度重要是通过时效于铝基体中析出高密度纳米级沉淀强化相η′(MgZn2)来实现的。普通而言，η′相越细小、体积分数越高，合金的强度越高。η′相的体积分数受到合金元素Zn和Mg含量的影响，Zn和Mg的含量越高，η′相的体积分数越高。7000系铝合金在固溶解决后，需快冷至室温，以将合金元素Zn、Mg和Cu元素“冻结”在Al基体中，形成过饱和固溶体，为时效调控性能奠定基础。淬火过程中过饱和固溶体不稳定，当不大于临界冷却速率时，会发生分解而在晶内和(亚)晶界上析出平衡相(普通为η(MgZn2)相)，如图1所示。这些相尺寸较大，几乎没有强化效果，同时消耗了诸多的Zn、Mg合金元素，大大减少了Al基体中溶质原子浓度和空位浓度。溶质原子浓度的减少造成时效后基体中可形成的η′强化相的体积分数大大减小，并且平衡相周边存在无沉淀析出带(PFZ)；空位浓度的减小减少了沉淀强化相的弥散程度、增加了尺寸，从而造成合金的强度和硬度减少。这普通被认为是合金强度和硬度淬火敏感性产生的重要因素。淬火速率减小促使晶界及亚晶界上粗大平衡相的析出，增加了晶界第二相的尺寸和覆盖率以及晶界无沉淀析出带(PFZ)宽度，提高了合金变形时沿晶和沿亚晶断裂的比例和腐蚀环境下沿晶侵蚀速率，从而减少合金时效后的韧性、塑性及抗晶间、剥落等腐蚀能力。2.影响淬火敏感性高低的因素回想以往的研究能够发现，影响7000系铝合金淬火敏感性的因素重要涉及化学成分、制备工艺及微观组织，而化学成分和制备工艺又会影响微观组织，下面对此进行了总结。2.1合金元素的影响7000系铝合金中重要涉及了主合金元素Zn、Mg和Cu，微合金化元素Cr、Mn、Zr和Sc等，以及杂质元素Fe和Si，其含量和比例对合金的淬火敏感性都有影响。（1）主合金元素Zn和Mg是重要的合金元素，其添加可形成η等强化相，普通而言，合金元素总含量越高，固溶后溶质原子浓度升高，增加了冷却时固溶体的分解倾向，增加合金的淬火敏感性。Zn、Mg和Cu元素含量增加普通都会提高合金的淬火敏感性。DENG等通过末端淬火实验研究了Mg含量对7085型铝合金淬火敏感性的影响，成果表明合金中Mg含量为1.0%、1.4%和2.0%(质量分数)时，其淬透层深度分别为100mm以上、65mm和40mm，因此，该合金的淬火敏感性随Mg含量的增加而增加。Mg含量的增加会减少其它重要元素在铝中的溶解度，MgZn2相析出的驱动力增大，析出的峰值温度提高，温度变化区间也增大，因而淬火敏感性增加。添加Cu元素会增加淬火敏感性，这是由于Cu会减少Zn和Mg在铝基体中的溶解度，并提高过饱和度。在Zn、Mg、Cu3种元素中，BRYANT和LI等认为Cu元素对淬火敏感性的影响最大，另首先是Mg和Zn，但GARCIA-CORDOVILLA和LOVIS根据Zn和Cu对固态相变的影响认为Cu和Zn对淬火敏感性的影响相称，刘文军认为Mg元素对淬火敏感性的影响最明显。在总含量相称时，调节Zn、Mg、Cu3种元素之间的比值可变化合金的淬火敏感性。如B95合金的淬火敏感性会因w(Zn)/w(Mg)比值增加而减小，减少Cu+Mg总量和提高w(Zn)/w(Mg)比值可明显减少7175铝合金的淬火敏感性w(Zn)/w(Mg)比值增加可推迟固溶体的分解。从表1中某些低淬火敏感性合金的化学成分变化可知，Zn含量呈上升的趋势，Mg和Cu含量呈下降的趋势，w(Zn)/w(Mg)比值整体呈上升的趋势，这阐明这些成分的调节是有助于淬火敏感性的减少。但Zn含量上升会增加合金的密度，如7050铝合金的密度约2.83g/cm3，而7085的约2.85g/cm3，这对航空构件的轻量化不利。因此，在主合金元素影响淬火敏感性的规律及影响机理方面仍需开展更进一步、系统的工作，为研发低密度、低淬火敏感性铝合金奠定基础，满足航空工业轻量化发展的需求。（2）微合金化元素在7000系铝合金中微合金化元素普通有Cr、Mn、Zr、Sc等，其重要目的是提高合金的再结晶温度，妨碍热变形和随即固溶解决时再结晶的发生，细化晶粒，从而改善合金的性能。Cr和Mn可加速固溶体的分解，提高合金淬火时的临界冷却速率，增加淬火敏感性；相比之下，Zr可保持Zn、Mg和Cu在铝固溶体中的稳定性，减小淬火敏感性，提高半成品的淬透性。在7000系铝合金中采用Zr替代Mn和Cr，能够明显减少淬火敏感性。含Zr合金均匀化后常析出共格的Al3Zr相，而含Cr合金中析出非共格的E(Al18Cr2Mg3)相。冷却速率较小时，粗大平衡相更易于非共格的E相上析出。在2~40℃/s的冷却速率范畴内，含Zr合金含有更高的强度；以Zr代Cr可使125mm厚的板材强度提高约50MPa，同时保持断裂韧性相称。因此，低淬火敏感性合金中的Cr含量都很低，如表1所列。B93合金添加Zr后淬火敏感性增加，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中添加Co元素可明显减少淬火敏感性。Sc的加入可减少Al-Zn-Mg-Cu合金固溶体的稳定性，其作用较Zr和Mn要大，但不大于Cr的；Sc含量越高时，保持的非再结晶组织越多，亚晶粒平均尺寸越小，亚晶界越多，而缓冷时，η平衡相形核的位置越多，合金的淬火敏感性越高。微量元素的含量对合金淬火敏感性也有很大的影响。B95合金的淬火敏感性随Cr和Mn含量的减小而减少。本文作者研究了Zr含量(0~0.15%)对7055型铝合金淬火敏感性的影响，发现和无Zr合金相比，含Zr合金的淬火敏感性增加，当Zr含量为0.1%时，合金含有最高的淬火敏感性，此时经空气淬火的合金时效后强度较水淬的低了30%。（3）杂质元素众所周知，Fe和Si是7000系铝合金中的重要杂质元素，对塑性、韧性等有不利影响，但对淬火敏感性有无明显的影响还不清晰，公开的报道极少。从表1可知，合金中的Fe、Si杂质元素含量呈先减少再有所上升的趋势，似乎对淬火敏感性没有太大的影响。但有学者认为它们的存在可能会增加合金的敏感性，并加强微量元素的作用。为了能够全方面认识7000系铝合金的淬火敏感性，有必要开展这方面的工作，探明其影响规律和作用机理，为控制杂质元素含量进一步改善材料综合性能提供根据。2.2微观组织的影响就微观组织对7000系铝合金淬火敏感性的影响而言，重要考虑淬火过程中充当平衡相非均匀形核的位置和数量，如晶界、亚晶界、弥散粒子及粗大金属间化合物。当合金中仅有晶界和粗大金属间化合物时，淬火敏感性很低。弥散粒子的影响不仅取决于粒子的种类，还取决于粒子的形态和尺寸。合金中添加Cr形成非共格的E(Al18Cr2Mg3)相，更容易激发平衡相的形核，因此淬火敏感性很高；在含Zr合金中，细小共格Al3Zr粒子的存在对淬火敏感性没有明显的影响，而大的非共格Al3Zr粒子的存在增加了合金的淬火敏感性。合金中的再结晶程度对淬火敏感性有很大的影响。如在7050铝合金中再结晶分数从15%增至80%时，合金时效后的强度下降程度从6%增至12%，而断裂韧性下降程度从45%减小至32%，但伸长率下降程度差别不大。合金中亚晶界数量的增加造成缓冷时η平衡相析出的数量增多，提高淬火敏感性；而亚晶界的取向差增大可增加η平衡相形核率，从而提高淬火敏感性。仅考虑淬火敏感性时，合金中的界面(晶界，相界)越少越好，但会减少其它性能。因此，需要开展更进一步的工作来探明最佳的微观组织模式，使合金含有低淬火敏感性的同时还含有高强度高韧性耐蚀及良好的抗疲劳性能。2.3制备工艺的影响普通来讲，7000系铝合金的制备过程重要涉及熔炼和锻造、铸锭均匀化、塑性变形、固溶、淬火和时效，每一种工序对淬火敏感性都会产生影响。（1）锻造工艺锻造工艺会影响固溶体的稳定性，进而影响淬火敏感性。ZAKHAROV和LEVIN通过绘制TTP曲线研究了锻造条件对Al-Zn-Mg合金固溶体稳定性的影响，发现增加铸锭的直径、减小浇注速度及减少熔体的温度可提高固溶体的稳定性，减少淬火敏感性；例如铸锭直径从92mm增加至370mm时，合金淬火时的临界冷却速率从35℃/s降至15℃/s；当浇注速度从120mm/min减小至30mm/min时，合金的临界冷却速率从42℃/s降至28℃/s。其本质在于锻造工艺变化了过渡族元素在铸锭中的分布特点，即是形成粗大金属间化合物，还是保存在过饱和固溶体中随即以弥散粒子的形式析出。（2）均匀化制度铸锭均匀化是7000系铝合金制备的一种核心工序，均匀化可变化弥散粒子的析出状态，进而变化合金中的晶粒组织(如再结晶分数)，必然对淬火敏感性产生影响。合理的均匀化制度可有效减少合金的淬火敏感性，如7050合金铸锭经快速和慢速升温均匀化之后，轧制板材空冷并时效后的硬度较水淬的分别下降了26.3%和21.8%；Al3Zr粒子析出最少的均匀化制度对应淬火敏感性最低，空冷合金较水淬的硬度只下降了15.8%。（3）热变形塑性变形可提高合金的淬火敏感性，如7050和7055铝合金热轧变形后，其淬火敏感性极大地增加。变形程度越大，合金的淬火敏感性越高，如对7050铝合金的研究发现，轧制变形量分别为0%、30%、50%和85%时，空冷试样时效后的硬度较20℃水淬的分别下降了4%、12%、28%和42%。变形速率也会影响合金的淬火敏感性，如对7050铝合金研究发现，轧制变形速率为5、8、15s−1时，空冷试样时效后的硬度较水淬分别下降了19.2%、22.1%和36.9%。塑性变形对合金淬火敏感性的影响程度还受微量元素的影响，如研究发现含Zr和Hf合金的淬火敏感性随变形程度增加而变大，但含Cr合金的淬火敏感性却不受变形程度的影响。微观组织研究表明，热变形之因此对淬火敏感性产生影响，是由于合金中的再结晶程度、亚晶大小、亚晶界及弥散粒子的性质因变形而被变化。（4）固溶解决7000系铝合金固溶解决时，可溶第二相溶解的同时基体往往会发生再结晶，变化微观组织必然对淬火敏感性产生影响。如采用末端淬火办法对7050铝合金的研究表明，当固溶温度从475℃提高至490℃时，合金的淬火敏感性减少，其淬透层深度从约55mm增加至75mm，提高了36%。普通来讲，再结晶的发生会造成弥散粒子与基体间的界面由(半)共格关系转变成非共格关系，增加缓冷时平衡相的形核位置，提高淬火敏感性；因此，在固溶解决时如何控制再结晶是非常重要的。（5）时效制度合金的淬火敏感性高低是不同淬火条件下时效后性能的下降程度来体现的，因此，时效制度不同，性能的下降程度也有差别。如通过双级时效解决，可使慢速淬火7055铝合金时效后性能的下降程度大大减少；通过在人工时效前引入长时间的自然时效可提高7055铝合金厚板的淬透层深度。这种影响重要是由于时效变化了慢速淬火合金中沉淀强化相的析出状态，慢速淬火后溶质浓度和空位浓度都减少，相对单级时效而言双级时效能够使缓慢冷却合金中得到更多强化相，分布也更均匀弥散，减小了空位浓度下降带来的不利影响，减少了淬火敏感性效应。2.4C曲线C曲线即合金中固溶体析出作用随温度和时间变化的关系曲线，普通能够用来阐明合金的淬火敏感性：如果合金的C曲线向右移，表达其淬火敏感性较低。2.5不均匀变形在淬火敏感性较高的合金中,较厚的型材需要比风冷或水雾冷却更快的冷却速度,因此必须进行水淬来获得令人满意的拉伸强度性能"在水淬过程中可能会形成蒸气薄层,造成冷却速度局部减少,并且造成制品形状扭曲"这种状况在静止水淬火条件下最容易出现"因此最佳采用涌流水来冷却型材"即使如此,在挤压速度较高或型材各部位厚度差很大时,由于沿制品断面冷却速度不均,也可能产生形状的扭曲"。型材在喷水淬火过程中的扭曲变形体现在高温区时最为敏感，因而提出了“渐进式”淬火工艺。在淬火装置整个长度上设立几个不同控制区段，当型材温度有所下降时采用较高以至更高的冷却速度。这种多功效的冷却装置，涉及有细雾喷射、低压喷水、高压喷水系统。使型材各部位的冷却速度更加均匀。普通来说，当型材厚度不大于4mm时采用气淬；壁厚为4-8mm采用雾淬；而壁厚不不大于8mm时，必须采用水淬才干获得均匀合格的性能。用水淬时要注意避免型材的变形。七．设计在线淬火重要考虑因素为使挤压铝型材在线淬火达成较抱负的效果，必须综合下列几方面因素考虑：1、足够的冷却速度，足够的冷却速度是在线淬火的必备条件。只有足够的冷却速度，才干确保过饱和固溶体被固定下来不分解，避免强化相析出，才干确保型材淬火时效后的力学性能达成最佳水平。要达成足够的冷却速度，就要配备合理的冷却源、冷却长度以及冷却密度。冷却源就是指风机、水泵以及对应的冷却介质，冷却长度就是指风口、喷管或水槽的长度，冷却密度就是指风口或喷头的分布密度。而这三方面都要根据该生产线所生产型材的最大线密度、不同合金的淬火对冷却速度敏感性强弱以及挤压出材的速度综累计算来拟定。所生产的型材线密度越大、合金的淬火对冷却速度敏感性越强、挤出速度越快，所要配备的风机和水泵越大，风口和喷头的长度就要越长，数量就要越多，用水作介质的水温就要越低。当低温的水都满足不了冷却速度的状况下，还能够在水中加入不同的溶剂来调节水的冷却能力。例如聚乙醇，通过调节聚乙醇水溶液的浓度来控制冷却速度。2、如何使型材整体（型材截面的径向和型材的纵向）冷却速度保持基本一致。只有冷却速度基本一致，才干确保型材淬火效果基本一致，从而确保型材性能的均匀性，有效减少型材的变形和弯扭。要确保型材截面径向的冷却速度一致，就要确保截面径向冷却强度能够根据型材截面构造状况、壁厚的厚薄进行调节。例如壁厚较厚的一侧需要冷却强度高，壁厚较薄的一侧则需要冷却强度低些，这样就可使得型材截面同一时间内冷却到相似的温度。而要确保型材纵向的淬火强度一致，就要确保纵向上所受的冷却时间一致，也就是纵向上每部分通过淬火区的有效时间一致。3、如何适应不同型材截面宽高比的变化。特别中大型挤压机所生产的型材截面宽高比变化非常大，当生产板材时，宽高比可能达成100:1以上，而生产管材或棒材时，宽高比可能是1:1。在这