铝合金的热处理_________________81-6资料.doc.doc

铝合金的热处理 816【日本】马场义雄1前言 铝合金能够采用冷加工淬火时效和退火等方法,进行调正强度成型性以及其他性质按着这样的操作工艺得到所要求的性质,把这种操作称为调质处理,调质的分类称为调质类型一般来说,铝变形材料大体分为非热处理型和热处理型两大类别:纯铝(1000系)Al-Mn系合金(3000系)Al-Si系合金(4000系)及Al-Mg系合金(5000系)属于非热理型合金;Al-Cu-Mg系合金(2000系)Al-Mg-Si系合金(6000系)及Al-Z n-Mg系合金(7000系)属于热处理型合金非热处理型合金是由成型制造或轧制拉伸等冷加工获得制品,而热处理型合金是由淬火时效等处理得到各自规定的强度对于热处理型合金,为了获得比由热处理所获得的强度还高的强度,往往采用冷加工另一方面,对非热处理型合金,也可以进行像退火稳定化处理的热处理 本讲座主要是关于对变形铝合金热处理的讨论首先,将调质符号做以详细说明,之后,论述结合处理目的的实际热处理工艺和热处理时的注意事项等2调质符号的说明 在现行的JIS标准中,把规定的调质及其符号列于第1表符号H是表示由改变材料冷加工度而调正机械性能的标记同一合金如果比较H1n和H2n,例如H14和H24,在JIS标准中表现为同一值但是实际上,H14和H24的拉伸强度虽然相同,可是H24的屈服强度稍低,延伸率稍大,成型性也是H24最好H3n适用于含Mg的3000系及5000系合金这些合金在冷加工H1n状态,如果长时间放置,屈服强度就稍有降低,延伸率增加为了防止这种随时间变化的倾向,冷加工后在130170进行热处理,这称之为稳定化处理 在JIS标准中,没有采用美国铝业协会所采用的下述调质类型,这些调质类型即使在我国使用也很方便【23】 1)H1nH2nH3n的n值采用奇数1357这些数字表示0和H12H12和H14H14和H16等各自中间的调质状态,它表明比JIS标准状态分类更细另外,H19为超硬化状态,它是比通常的H18实行更高的冷加工所得的状态H111H311H321比各自的H11H31H32承受较轻的加工硬化,即经过拉伸矫直矫平机矫正等H343是改善了含镁量高的Al-Mg系合金H34的抗应力腐蚀开裂性能的符号具体的处理方法是因合金而异但实际上,在比过去稳定化处理更高的温度范围内180275,保温一定时间冷却到室温后,强度下降(因为比过去的稳定化温度高,所以强度下降),为了弥补强度损失,进行10%以上的冷加工还有,为了防止强度随时间变化,再在130左右加热处理数小时 2)相当的热处理符号T的调质类型表示如下: W:为淬火后室温时效的不稳定状态,通常在W后标出时效时间 T1:从高温加工冷却,经室温时效达稳定状态 T7:淬火后,在比得到最高强度所必需的时效温度更高的温度下和比所必需的时效时间更长的时间内,进行稳定化处理的状态与T6相比牺牲了部分强度例如,7075-T73【5】改善了7075合金的抗应力腐蚀性能(特别是壁厚方向的)T76是为了防止剥落腐蚀而进行的热处理介于中间的符号是T736 T9:经淬火时效之后进行冷加工的材料在9的后面附加数字往往表示冷加工程度 T10:经T5处理后,再进行加工硬化的材料 3)此外,对用T3T4T6T8等表示的热处理材料,再进行消除残余应力处理,也用这种热处理符号 TX51:淬火后经13%的永久变形的拉伸矫直而消除残余应力的材料只做拉伸矫直时,采用TX510表示拉伸矫直后又进行曲度矫正,而给予微量加工时,用TX511符号表示最近对飞机也逐渐采用T73510T73511五位数字符号表示 TX52:淬火后经15%永久变形的压缩矫正,以消除残余应力的材料,多用于表示锻件 TX53:淬火后经急剧的温度变化品热变形来消除残余应力的材料3提高强度的热处理 3.1 固溶和淬火处理 固溶处理是使起主要硬化作用的合金成分固溶在基体中,随后进行淬火和时效达到必要硬化的处理典型的时效硬化型铝合金的固溶温度和溶化温度范围列于表2从表中明显地看出,固溶温度的上限接近熔化温度的下限,所以必须十分注意控制固溶温度 因为固溶处理是以固相间元素的扩散为基础,所以温度越高越有利,可是,如果超过规定的最高温度就有共晶熔化和由此引起材料的物理性能变坏的危险另外,过分地加热往往会使材料表面产生重气泡如果固溶处理温度比规定的最低值还低,固溶就不完全,也就得不到最高的机械性能,第1图是2014-T4和T6材料的机械性能随固溶温度而发生相应变化的研究结果,可见获得稳定强度的温度范围比较窄第3表是变形材料进行固溶处理时所必需的加热保温时间最短的保温时间是由材料所要求的机械性能来定,断面厚度一增加,保温时间就要加长用空气炉加热时如果保温时间过长,就增加高温氧化的危险在盐浴炉或在炉气进行适当调节的空气炉内,保温时间即使为表中所给出数据的数倍也是安全的包铝制品的保温时间希望控制在能达到所要求的机械性能的最低限度如果保温时间一长,母材的合金成分就会扩散到包铝层中,而有损于抗蚀性 图1 固溶处理温度对2014-T42014-T6的机械性能的影响 图2 7075.606及7N 01合金淬火速度和所得强度的关系 为了把固溶状态保持到室温,必须从固溶温度急速冷却,并在冷却过程中,不发生合金元素的析出由于合金材料不同,在冷却过程中,有的容易析出,有的不发生析出,我们把这种性质称为淬透性70756061及7178等合金的淬火速度与所获得强度关系的例子示于图2中以7075为首,201420172024及7178等高强度合金的淬透性都差,所以实际淬火操作必须特别迅速,并且必须全部浸入足够的水中或循环水中在淬火完了取出被淬材料时,水温希望不超过38浸水淬火最大转移时间由表4给出淬火转移时间是指从炉门打开或淬火材料始端露出盐浴到末端浸入水中的时间淬透性比7N01合金或6061合金好得多的6063合金,即使在空气中冷却,强度下降得也不多,所以,可实现所谓的挤压热处理(后面叙述) 3.2 时效和析出处理 众所周知,已固溶处理的材料从过饱和固溶体状态发生析出,在此过程中材料的强度增高析出时效温度为室温的称之为自然时效或低温时效,析出时效温度为高温的称之为人工时效或高温时效在室温时效时,时效速度慢,不容易达到强度最大值,而在高温时效时,强度达到最大值后发生软化,把这种现象称之为过时效图3是2014和6061合金高温时效曲线,要根据淬火温度和时间的影响了解淬火后强度的变化在表5中列出了实用合金析出处理的条件在一般情况下,Al-Zn-Mg系合金的高温时效温度比Al-Cu-Mg系和Al-Mg-Si系合金的低 图3 20246061合金板材的人工时效条件与强度的关系 在实用合金中,当在低温,即在室温时效时,低温时效作为第一段时效,再继续进行高温时效,把高温时效阶段作为第二阶段时效一般把这种时效过程称之为二阶段时效工业生产中也正在采用这种时效方法在图4中列出了7N01合金的实例Al-Zn-Mg系合金固溶处理温度低,而且淬火时的冷却速度对强度的影响小,室温下的时效硬化效果好,所以作为焊接结构材料被广泛使用,可是,对高于室温时效的材料来说,先在室温放置37天后进行高温时效比固溶淬火后立即进行高温时效的材料强度更高 图4 相当7N01合金的室温预时效效果 一方面是在Al-Mg-Si系合金的情况下,如图5所示,当Mg2Si含量大于一定值时,比淬火后在室温下放置一段时间再进行高温时效,比淬火后立即进行高温时效的强度要高可是,当Mg2Si含量在大约0.9%以下时,进行预时效的强度好因而,6061合金最好不进行室温预时效,而6063合金刚好相反 图5 Al-Mg-Si系合金成分与预时效效果的关系 另一方面是对Al-Cu-Mg系的2024等合金,室温时效所形成的GP区在200加热1分钟就恢复到新淬火状态因此,由于时效硬化所造成的强化了的机械性能又恢复到了固溶后的软化状态这时可进行复杂的成型加工,之后放置于室温下,就发生再时效硬化 3.3 挤压热处理 占现有铝挤压材料大部分的6063合金和近年来显露头角的7N01合金等大多数是用挤压热处理方式生产的挤压热处理是利用合金元素在挤压时可固溶的道理但是此方法成功与否主要取决于合金的类型和铸锭热处理等在图6中以图解的形式示出了挤压加工中的温度分布一般来说,挤压温度都低于合金的固溶极限温度可是由于加工过程中所产生的热量使模子附近温度升高,因此也可能使析出物重新固溶为此,挤压之前铸锭的均匀化处理是理所当然的而在其冷却过程中,形成粗大的析出物,这是不好的方面另外,为达到挤压温度必须要快速加热表6示出了6063铸锭于560均匀化处理后以不同速度冷却到室温,经感应加热后于480挤压的棒材时效后的机械性能铸锭均匀化处理后随炉冷却,由于析出物过大,挤压时不能充分重新固溶,所以时效后的强度是低的 表7示出的是7N01合金挤压型材的拉伸性能和铸锭是否进行均匀化处理的关系铸锭经4658小时均匀化处理,在430挤压后室温时效1个月,或在挤出空冷后于120经24小时时效处理的强度与不进行铸锭均匀化处理的相比,其强度都增加约10公斤/毫米2把挤压材料在465固溶处理后,即使做相同的时效处理,这种倾向也不改变这是由于7N01合金中含的CuMnZn等过渡族元素在铸锭均匀化处理过程中弥散地析出,有助于挤压织构组织的形成而获得强化这就是一般所熟悉的挤压效应 图6 挤压热处理与温度分布 6063合金或7N01合金挤压出来采用在静止成流动的空气中(风冷)就可进行充分地淬火,所以就省去了挤压后的固溶处理工序,这从经济上看不用说是有利的可是带来了合金淬透性的问题对6061合金或淬透性更差的20172024等合金出模后要立即进入水中,不进行所谓的模淬火(Die QUench)处理,就得不到强度这种模淬火处理的材料,比正规固溶处理材料的晶粒细小,有更多的挤压织构组织,如果淬火进行得均匀充分,强度就优异 图7是6063合金挤压热处理过程的实例6063合金在500挤压后,在450-200之间以约1/秒的速度冷却,可得到相当高的强度然而,6061合金不用510/秒以上的速度冷却,强度就明显下降在450-200之间的冷却速度如果缓慢,在冷却过程中Mg2Si相就呈大斑点析出来,对随后的时效硬化便不起作用起主要作用的Mg2Si相越多,再有CrMnZn等过渡族元素的添加量越多,在冷却过程中Mg2Si的粗大析出物也就越多,所谓的淬透性也就越不好 图7 6063合金的挤压热处理周期4改善加工性能的热处理 4.1 铸锭的热处理【2.12】 铝合金铸锭是由半连续铸造法生产的,所说的热加工之前的均匀化处理,一般是指铸锭在高温下进行长时间加热保温处理均匀化处理的目的是使合金成分和组织均匀化,使固溶体中过饱和的成分析出,消除内应力等,从而改善铸锭的加工性能提高最终制品的深冲性和细化晶粒,在工业上已广泛采用这种方法 表8示出了典型的铝合金铸锭均匀化处理条件但是从经济的角度来看,宁肯提高加热温度来缩短保温时间一般在质量允许的加些速度范围内进行快速加热均匀化热处理的温度误差范围要控制在10以内,温度过低,会使最终退火材料的加工性能下降和使晶粒粗大,所以得必须加以注意温度过高或加热速度过快,就可能发生共晶熔解在表9中示出了加热速度对各种合金共晶熔解的影响 1)对热加工性能的影响 一般情况下,铝合金由于进行均匀化热处理,可以改善加工性能,从而提高了生产率和降低了成本,这在工业上是非常重要的例如,对Al-4.5%Mg-Mn-Cr系的5083合金来说,为了改善热轧成热挤性能,希望在550以下进行充分的均匀化处理,在第10表中给出了均匀化热处理对5083合金临界挤压速度的影响但是,挤压性能的改善主要与固溶的Mn和Cr的析出有关 * 1A 160/分,B 27/分,C 11/分,D 1.4/分 * 2共晶熔解范围;共晶急剧溶解;共晶少量熔解;共晶不熔解 另外,Al-Mg-Si系的6063合金是目前大量使用的挤压合金,改善它的挤压性能,是一个重要问题为此,一般可进行称之为HO处理的铸锭预加热处理图8示出了6063合金铸锭在560均匀化处理后,用不同速度冷却到室温,之后在480再加热进行挤压的情况下,均匀化热处理后的冷却速度对挤压速度和强度的影响冷却速度越慢,挤压性能越好,强度越低,所以冷却速度必须控制在200500/小时的范围内 2)对再结晶的影响 一般在工业用纯铝和Al-Mn系合金中,在不进行均匀化热处理就进行加工的情况下,热加工组织粗大,并且在最终退火的板材上也形成粗大的再结晶组织如果要承受深冲那样的塑性变形,就容易产生流线痕纹和表面桔皮现象等那样的缺陷在Al-Mn系的3003合金中这种倾向特别明显为了改进这种倾向,通常进行长时间的均匀化热处理也就是通过高温均匀化处理(550625724小时)使铸锭内的组织均匀,并由连续的析出处理(400550748小时)使固溶的Mn以Al6Mn的形式析出,再结晶组织可以细化 图8 6063合金均匀化处理后的冷却速度挤压速度和时效处理(16016小时)后的强度之间的关系 3)对各向异性的影响 在工业纯铝板材的各种性能中,最重要的是成型性,该性能最容易受铸锭热处理以及随热压延的影响因为铸锭中所含的FeSi,杂质的固溶析出对材料的各向异性再结晶行为有很大的影响在图9中示出了铸锭均匀化热处理温度与最终板材的导电率各向异性深冲性能的关系冷轧板都出现10%以上的45制耳,但是在360退火后45制耳现象减少,铸锭经400均匀化热处理的制品,相反,出现90制耳另一方面,经450以下均匀化热处理的材料深冲时的临界深冲系数其值是比较低的 图9 铸锭预加热对工业纯度铝退火板材的深冲制耳率和临界深冲系数的影响 试样是把厚度为25毫米铸锭预加热后冷轧到1毫米厚,在360进行退火 4.2 最终热处理 关于纯铝Al-MnAl-Mg系等非热处理型合金,通过冷加工而得到加工硬化或由硬化后的退火处理获得所规定的性能 一般来说,最终退火或冷轧的中间退火都是在分批式退火炉中进行处理的但是,在最近研制了如图10所示那样的快速连续热处理炉作为退火炉和淬火炉而开始被使用,代替了以前的分批式处理炉加热方式是从炉顶和炉床吹热风,使铝板浮动于热气流中并不断地移动采用这种炉子进行热处理,与在分批式炉中进行退火软化的情况相比,具有细晶组织提高了表面质量减少了变形和弯曲,每卷的质量还能稍加调整 图10 快速连续热处理装置5防止晶间腐蚀应应力腐蚀开裂的热处理 强度比较好的铝合金,在大气中或海水中产生晶间腐蚀,同时也有与应力腐蚀开裂有关的故2000系7000系及含3%Mg以上的500系合金容易产生应力腐蚀开裂热处理对铝合金的晶间腐蚀应力腐蚀开裂的影响,特别是从固溶处理温度往下冷却的速度和随后的时效处理的影响是很明显的 5.1 冷却速度的影响 作焊接结构材料使用的Al-Zn-Mg系合金,在固溶处理后的冷却速度慢时,应力腐蚀开裂的敏感性低,但是,如前面所介绍的那样,该系合金即使冷却速度慢,淬火效果也很好,第11表给出了Al-4%Zn-2%Mg合金的应力腐蚀开裂寿命和冷却速度的关系从此表中可知,冷却速度越慢,抗应力腐蚀性能就越好这往往用缓慢冷却而造成的晶界析出物粗大和PFZ(无析出区)的幅度增加相结合的理由来说明,但尚未定论 另外,在淬火敏感性高的20247075等合金中,因为淬火缓慢有助于产生晶间腐蚀,所以按MI L-H-6088(JISW1103)标准,必进行快速冷却图11示出了2024和7075-T6板材的淬火冷却速度与各种性能的关系当2024合金的冷却速度非常快时,发生坑腐蚀,当冷却速度一慢就变成晶间腐蚀如果把具有这种组织的材料放在3.5%NaCl水溶液中交替浸蚀三个月,测量其强度,抗拉强度下降约50%对于7075合金,如果冷却速度慢,进行上述腐蚀试验后,其强度也有明显的下降,即使在腐蚀前,这种合金也能看到强度的明显下降 5.2 时效处理的影响 关于时效处理对铝合金应力腐蚀开裂的影响,一般地说,低温时效比高温时效的寿命短图12示出了含Cr和Mn的Al-4.9%Zn一3%Mg合金固溶处理后的时效温度与应力腐蚀开裂寿命及屈服强度的关系此图表明,在过时效状态中发生应力腐蚀开裂的时间增长,应力腐蚀开裂敏感性变小,可是要不可避免地降低屈服强度所以只能希望屈服强度降低得少些,但还要进行降低应力腐蚀开裂敏感性的热处理因而,二段时效的T7处理是最为适宜的 最先用这种T7处理来防止应力腐蚀开裂的是美国,是以改善7075合金锻件(飞机起落架)的热处理开始使用的,命名为T73第12表【5】给出了7075合金的T73处理条件板棒和锻件的第二阶段的加热条件稍有不同关于7075合金的压延制品和锻造制品的T6和T73热处理后的应力腐蚀开裂试验结果已示于图13中采用T73处理,使抗应力腐蚀开裂的性能有很大的改善,同时也知道与T6处理相比,强度不免要降低约15% * 固溶处理后,3天室温时效9058小时150216小时 在Al-Mg系合金中,即使进行时效处理,强度不但不能增加,反而下降,把这种时效处理称为稳定化处理这种处理可能使晶界发生相(Mg2Al3)析出,从而对材料的抗应力腐蚀开裂性能有不良影响在图14中示出了Al-Mg合金的应力腐蚀开裂与Mg含量及温度的关系对于Mg含量在5%以下的实用合金,基本上不用担心退火材料的应力腐蚀开裂冷加工后在100150进行时效处理,其机械性能是稳定的,但是应力腐蚀敏感性显著地增加,所以也叫做增感处理还有,Mg含量在3%以下,不管进行什么样的处理都不必担心应力腐蚀开裂问题 图11 2024-T4和7075-T6合金板材的冷却速度对各种性能的影响 图12 Al-4.9%Zn-3%Mg合金的时效温度与应力腐蚀开裂寿命和屈服强度的关系(应力=20公斤/毫米2) 图13 7075-T6和T73应力腐蚀试验(3.5%NaCl中交替浸蚀)结果 图14 Al-Mg系合金的应力腐蚀开裂与温度的关系6热处理时产生的残余应力及其防止方法 在热处理过程中产生的残余应力称为热处理残余应力在可热处理型的合金中,由于固溶处理后的急冷(多为水冷)而产生残余应力对于厚壁的材料,由于表面和中心的冷却速度差而产生残余应力,表面为压缩残余应力,中心部位为拉伸残余应力,这是普遍现象 图15示出了2024合金圆柱体的冷却速度和纵向残余应力的关系须知,400290的平均冷却速度越大,最大残余应力范围也就越宽为比,改变冷却介质的温度和组成,降低冷却速度能使残余应力减小图16示出了冷却水温对7075-T6厚板残余应力的影响,也是表面压缩,中心拉伸的应力分布,冷却水温度越高,残余应力的绝对值越小因此,对模锻断面形状复杂的材料,应采用温水淬火但是如果冷却速度太慢,则热处理型铝合金在冷却过程中就会发生析出,引起晶间腐蚀和强度下降所以,一般情况是在82的水中淬火为好 图15 2014-T4圆柱体(76227毫米长)的冷却速度和纵向残余应力范围 图16 7075-T6厚板淬火时冷却水温对残余应力的影响 以上介绍了以水和温水作冷却介质的情况,有的铝合金铸件往往用油作冷却介质这对防止残余应力或变形确实是很有效的可是随着冷却速度的降低,强度也降低如果考虑在冷却后除去制品表面附着的油需要工时,就不能说这是万全之策了为此,近年来新研制的水溶性淬火剂,已引人注目这种以聚(烷撑)二醇为主要成分的水溶液的处理是比较容易的图17示出了壁厚为1毫米的2024合金板材从492投入到各种冷却介质中时的冷却速度在40%聚二醇水溶液中,即使冷却速度达到1000/秒,对机械性能和耐蚀性能均无坏的影响另外,在40%聚二醇水溶液中完全不会产生水冷材料那样相当大的变形这一点是很明确的 图17 聚二醇浓度及其他的冷却介质和冷却速度的关系(2024合金1毫米厚板由492冷却) 上述方法虽然是在固溶处理后的冷却过程中防止残余应力和变形的有效方法,但是还不能完全防止残余应力的产生和在现场不能采用这种工艺的情况下面讲一下,采取这种方法消除残余应力的典型例子2014合金一般在496507固溶处理后于水中冷却,再进行人工时效(1521661720小时)称为T6处理,正如上述,厚板(50毫米)水冷终了的状态,则是发生表面压缩中间拉伸的残余应力,经随后的时效处理虽有减少,但还存在相当多的残余应力但是,把固溶处理后水冷的材料保持在温度尽量低的冷却介质中,取出后吹高速蒸气就能基本上消除残余应力例如,保持在-196液态氮中,取出后吹高速蒸气,把原来人工时效的2014-T6材料中的残余应力降低到2.8公斤/