金属热处理工艺学-有色金属的热处理.ppt

有色金属的热处理 铜及铜合金的热处理 钛及钛合金的热处理 铜及铜合金的热处理 一 纯铜 紫铜 铜是人类历史上应用最早的金属 现主要用作导电 导热并有耐蚀性的器材 导电元件 弹性元件 管道和耐磨零件 轴承 衬套 小齿轮等 密度 8 94g cm3 导电性和导热性仅次于金和银 面心立方晶体结构 在极低温度下仍然保持良好塑性 熔点 1084 C 铜及铜合金的热处理 一 纯铜 紫铜 1 导电性好 导热性好 导线 电缆 散热管 热交换器等 任何杂质元素的加热都会降低铜的导电性和导热性 冷变形对铜导电性能影响不大 纯铜经80 冷变形 导电率降低不到3 因此铜导线可在冷作硬化状态使用 冷作硬化是提高铜及铜合金强度的常用方法 图杂质元素对铜导电和导热性影响 铜及铜合金的热处理 一 纯铜 紫铜 2 化学稳定性高 耐蚀性好 铜的标准电极电位比氢高 在许多介质中的化学稳定性都很好 电线 冷热水配水设备 热水泵及废热锅炉 3 无磁性 磁化系数极低 用来制造不允许受磁性干扰的磁学仪器 罗盘 航空仪器 炮兵瞄准环等 4 塑性变形能力高 面心立方晶格 但中温区塑性剧烈降低 应避免在此区间进行压力加工 热压加工一般在800 900 C进行 中温脆性区一般认为是Pb等低熔点杂质引起的 图铜的力学性能与温度的关系 99 5 Cu 0 005 Pb 600 C退火1小时 铜及铜合金的热处理 一 纯铜 紫铜 工业纯铜的热处理一般只进行再结晶退火 目的是消除内应力 使金属软化或改变晶粒度 退火温度一般为500 700 C 工业纯铜的牌号T1 99 95 Cu T2 99 90 Cu T3 99 70 Cu T4 99 5 Cu含Bi Pb Sb S P O等杂质 无氧铜 TU1 TU2 含氧量低于0 01 具有更高导电性 导热性 耐蚀性 可焊性和塑性 铜及铜合金的热处理 二 铜合金的分类及编号按照化学成分 铜合金可分为黄铜 青铜及白铜三大类 1 黄铜 以Zn为主要合金元素 以H表示 H后面的数字表示含铜量 若还有另一种合金元素 则H后面添加上所加元素的化学符号 并在表示含铜量的数字后面划一短横线 写上它的百分含量 例 H68 HPb59 1 2 白铜 以Ni为主要合金元素 以B表示 例 BAl6 1 5 3 青铜 除Zn和Ni以外的元素为主要合金元素 以Q表示 例 QSn7 铜及铜合金的热处理 黄铜良好的机械性能 耐蚀性 导电性和导热性等 与纯铜和其它铜合金相比 价格较低 是重有色金属中应用最广的合金材料 分为二元黄铜 普通黄铜 和多元黄铜 复杂黄铜 特殊黄铜 图Cu Zn合金相图 Cu 50 H70H62 铜及铜合金的热处理 黄铜 从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和 两种组织 分别称单相黄铜和两相黄铜 铜及铜合金的热处理 黄铜的性能 图Zn含量对铸态Cu合金力学性能的影响 单相黄铜塑性好 H96和H85具有良好导热性和耐蚀性 一定强度和良好塑性 大量用于冷凝器和散热器 H70和H68强度较高 塑性特别好 用于冷冲压或深拉伸法制造复杂零件 枪弹壳 炮弹筒 有 弹壳黄铜 之称 两相黄铜热塑性好 强度高 H62有很高强度 热态下塑性好 以板材 棒材 管材 线材等供工业大量使用 有 商业黄铜 之称 H59强度高 含Zn量高 价格便宜 极好地承受热压力加工 有一般耐蚀性 多以棒材和型材用于机械制造业 铜及铜合金的热处理 黄铜的应用 黄铜的主要热处理方式 退火 再结晶退火 去应力退火 再结晶退火 加工工序之间的中间退火 产品最终退火 目的是消除加工硬化 恢复塑性及获得细晶组织 再结晶温度随合金成分不同 多在300 400 C 再结晶退火温度多在600 700 C 去应力退火 含锌量较高的黄铜 应力腐蚀破裂倾向很严重 其冷变形产品必须进行去应力退火 清除变形中产生的残余应力 防止自裂 一般230 300 C 退火硬化现象 黄铜冷变形后于再结晶温度以下退火 其硬度不但不降低 反而有所升高 例如H70 冷变形50 后在235 C退火1小时 抗拉强度升高30MPa 延伸率降低2 试验证明 含Zn大于10 的黄铜 含Al大于4 的青铜 含Mn大于5 的青铜和含Ni大于30 的白铜都有这种退火异常硬化现象 也称变形时效 铜及铜合金的热处理 黄铜的热处理制度 铜及铜合金的热处理 锡青铜铜与锡的合金称为锡青铜 锡青铜的应用在我国已有两千多年历史 最主要特点是耐蚀 耐磨 弹性好和铸件体积收缩率很小 图Cu Sn合金相图 锡青铜的用途 1 高强弹性材料 弹簧 弹片 弹性元件 2 耐磨材料 轴承套 齿轮等 3 艺术铸件 铜像等 铜及铜合金的热处理 锡青铜在 相区 Sn含量增加 强度及塑性均增大 约10 Sn附近的塑性最好 在21 23 Sn附近的抗拉强度最大 相 Cu31Sn8 脆而硬 随该相增多 强度急剧下降 图Sn含量对锡青铜力学性能的影响 Sn 3 14 铜及铜合金的热处理 锡青铜的热处理铜锡合金中的原子扩散速度进行很慢 共析转变只有在长时间保温才能进行 另外 一般生产条件下 冷却速度快 合金中不出现 组织 从工程角度出发 锡青铜的锡含量一般都小于10 得到的是单相 组织 故锡青铜不能热处理强化 根据锡青铜的使用目的和加工方法 常用热处理是均匀化退火 再结晶退火和去应力退火 消除枝晶偏析的均匀化退火 通常处理温度为625 725 C 1 6小时 锡青铜在冷变形工序之间 中间再结晶退火消除形变硬化 例如QSn6 5 0 4的再结晶退火温度为600 C 用作弹性元件的锡青铜QSn4 3等不能进行再结晶退火 只进行去应力退火 退火温度为250 300 C 铜及铜合金的热处理 铝青铜锡价格昂贵 所以用其它合金元素代替锡 铝青铜就是其中之一 铝青铜具有良好的力学性能 耐蚀性和抗磨性 图Cu Al合金相图 铜及铜合金的热处理 铝青铜 图Al含量对铝青铜力学性能的影响 含铝量为5 8 的铝青铜 QAl5和QAl7 为 单相合金 塑性良好 可进行冷热加工 含铝量为9 10 的合金 QAl10 在高温具有 组织 能承受热压力加工 565 C以下共析分解后 合金塑性下降 不能进行冷变形 铜及铜合金的热处理 铝青铜的热处理当铝合金含量小于7 4 时 在所有温度下 均为单相 固溶体 塑性好 易于加工 压力加工时 一般进行中间再结晶退火和去应力退火 含铝量为9 4 15 6 的铝青铜 可进行热处理强化 当温度达到 相区时 快速冷却发生 相变 形成 马氏体 铜及铜合金的热处理 铍青铜含铍的铜合金为铍青铜 铍含量一般为1 5 2 5 铍青铜有很强的沉淀强化相应 经过淬火时效 得到强度约1400MPa 并具良好的导热 导电性 耐蚀和耐磨性 图Cu Be合金相图 铍青铜可用于制造高级弹性元件和特殊耐磨元件 还用于电器转向开关 无磁 冲击无火花 点接触器等 铜及铜合金的热处理 铍青铜的热处理 1 淬火 含铍量超过1 7 最佳淬火温度780 790 C 保温时间8 15min 2 时效 时效温度0 5 0 6Tm 含铍量高于1 7 的合金 最佳时效温度为300 330 C 保温1 3小时 含铍量低于0 5 的合金 熔点升高 则最佳时效温度为450 480 C 过饱和固溶体 G P 区 3 退火 铍青铜退火最好在 共析转变温度以下进行 一般为550 570 C 保温2 3小时 退火温度过高 超过共析转变温度 会导致 相聚集粗化 低于550 C则不能有效软化合金 去应力退火一般在150 200 C保温15 20min 铜及铜合金的热处理 白铜铜与镍形成无限固溶体 普通白铜组织为单相固溶体 突出优点是高力学性能和在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性 在海船 医疗器械和化工部门广泛应用 铁白铜 铝白铜 锌白铜和电工白铜 图Cu Ni合金相图 Ni 30 B10B20B30BZn15 20 钛及钛合金的热处理 钛及钛合金的热处理 纯钛广泛用于飞机制造业 宇航工业 舰船工业 冶金 化学工业等 密度 4 5g cm3 所有金属材料中几乎最高的比强度 良好的耐热和耐蚀性 密排六方晶体结构 但具有良好的塑性 熔点 1668 C钛具有同素异构转变 转变温度为882 5 C 此温度以下为 钛 米排六方结构 此温度以上直到熔点是 钛 体心立方结构 钛及钛合金的热处理 钛合金中的合金元素按合金元素对同素异构转变温度的影响和在 相或 相中的固溶度 合金元素可分为三大类 稳定元素 它们能提高 相转变温度 可较多地固溶于 相 扩大 相区 稳定元素 它们能降低 相转变温度 可较多地固溶于 相 扩大 相区 中性元素 对相转变温度影响不大 并能在 相和 相中大量溶解或完全互溶 钛及钛合金的热处理 钛合金的分类 钛合金 TC 在钛合金中同时加入 稳定元素和 稳定元素则形成 钛合金 可使 相和 相同时得到强化 稳定元素主要是铝 其次是锡和锆 稳定元素主要有钒 钼 铬 锰和硅等 稳定元素加入量为4 6 可获得足够的 相 以改善合金的塑性和热处理强化能力 钛合金 TB 在钛合金中含有多量 稳定元素如钼 铬 钒 锰 镍等 钛合金由高温空冷或水冷后得到单一 相组织 通过时效可提高合金强度 钛合金 TA 主要含Al Zr和Sn 在合金中有固溶强化作用 多呈单相 固溶体 不能热处理强化 Al含量超过6 可产生Ti3Al相 提高强度 但塑性急剧下降 在 相区加热退火 可得到等轴 细晶粒 具有较好的综合性能 在 相区加热退火 晶粒急剧长大 空冷形成片状 组织 称为魏氏组织 在 相区加热淬火 形成片状马氏体 但它没有强化效果 钛及钛合金的热处理 钛合金中的不平衡相变 马氏体型相变 钛合金自高温 相区 快速冷却 根据成分不同 相可转变为马氏体 q或过冷 r亚稳相 稳定元素含量不高时 相由体心立方结构转变为密排六方结构 这种过饱和固溶体称为六方马氏体 稳定元素含量较高时 转变阻力大 不能直接变成六方马氏体 只能转变成斜方马氏体 稳定元素含量更高时 马氏体转变开始点Ms下降到室温以下 相被固定到室温 这种 相称为 残余 相 或 亚稳 相 用 r表示 稳定元素含量高时 还可形成淬火 q相 属六方晶系 与 相共生并共格 该相硬而脆 在淬火和回火中都应该避免它的形成 钛及钛合金的热处理 钛合金中的不平衡相变 退火 时效 转变 钛合金淬火形成的 q和 r相都不稳定 在随后的加热过程中都要发生分解 马氏体分解 马氏体在300 400 C开始发生分解 在400 500 C时效可以获得高度弥散的 相混合物 使合金弥散强化 亚稳相 r分解 r 1 平衡 相 q相的分解 q相是 稳定元素在 相中的过饱和固溶体 分解为 相 钛及钛合金的热处理 钛合金的热处理 退火 消除压力加工 焊接 机械加工等造成的内应力 提高塑性 保证一定的力学性能 稳定组织等 去应力退火 去除内应力 一般在450 650 C 完全退火 组织和性能均匀 主要是发生再结晶 温度在 相变点以下120 200 C 等温退火和双重退火 等温退火适用于 相稳定化元素含量较高的 钛合金 由于 相稳定性高 空冷不能保证 相充分分解 常采用等温退火 即将工件加热至比相变点低30 80 C下保温 然后炉冷或将工件移至某一较低温度 比相变点低300 400 C 保温后空冷 处理后合金具有较好的塑性和热稳定性 双重退火是为了改善 钛合金的塑性 断裂韧度和组织稳定性 采取两次加热后空冷 第一次加热温度高于或接近再结晶温度 使再结晶充分进行 但又不使晶粒明显长大 空冷后组织不稳定 需第二次加热至稍低温度 保温较长时间 使 相充分分解 聚集 真空除氢退火 使其表面层的含氢量降低到安全浓度 消除产生氢脆的可能性 钛及钛合金的热处理 钛合金的热处理 强化热处理 固溶 时效 钛合金的强化热处理兼具有钢和铝的特点 但又有区别 钢和钛淬火都可得到马氏体 但钛的马氏体硬度不高 强化效果不大 回火使合金弥散硬化 钢只有一种马氏体强化机理 而同一成分的 钛合金有两种强化机理 即高温淬火马氏体分解为弥散相使合金强化和低温淬火过冷 相分解为弥散相使合金强化 钛合金的固溶处理和时效过程与铝合金相似 强化热处理的原则是用快速冷却方法得到亚稳态 和 相 随后时效过程中它们分解为弥散的 和 相 形变热处理 化学热处理 钛及钛合金的热处理 钛合金的热处理举例 TA7合金 典型 钛合金 成分Ti 5Al 2 5Sn 铝和锡起稳定 和固溶