热处理原理与工艺铝合金的热处理.ppt

铝合金及其热处理,铝及铝合金,（）用量仅次于钢，地壳中储量第一；（）铝的性能：力学、电学；（）铝与航空工业；（）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。,铝合金的工业化生产和热处理,1888年，美国匹兹堡冶金公司开始工业化生产铝。1890年，全世界原铝产量180吨。1906年，德国科学家维尔姆（Wilm）首先发现Al-Cu-Mg系合金的时效现象，铝合金真正进入淬火-时效的热处理阶段。2008年，原铝产量4000万吨，再生铝产量1950万吨。,中国铝工业的发展,1949年新中国成立前，中国只有规模很小的铝加工厂，生产铝板、铝带和铝箔等产品，工厂主要分布在上海周围。日本侵略中国期间，1938年6月在抚顺建了一个年生产能力为1万吨的铝厂，用电解的方法生产铝。1945年抗战胜利，遭到日本人的破坏。1953年，中国在原址重建抚顺铝厂（代号301，现名中铝抚顺铝业有限公司）。,1954年，山东铝厂（代号501，现名中铝山东铝业分公司）投产，当年生产氧化铝2.7万吨。1956年在前苏联的援助下，哈尔滨铝加工厂（代号101，现名中铝东北轻合金有限责任公司）建成。,2002年中国成为原铝锭净出口国，出口量约20万吨。2004年中国成为铝箔净出口国，当年出口量约1万吨。2008年产量117.3万吨，占全球总产量的27.8%。2005年，中国成为铝材净出口国，当年出口量约6.4万吨。2006年，中国成为铝板带净出口国，中国现在是世界第二大铝板带生产国，产量仅次于美国。2008年，世界原铝产量4000万吨，中国原铝产量1320万吨。,铝合金的应用领域,铝已经成为人类使用的第二大金属。70%的铝应用于航空和航天工业；铝占高速轨道车辆重量的85%。,铝合金的热处理,铝是以铝材（板、带、箔、棒、型材、线材、锻件）和铸件的形式应用的，其中铝材占70%左右，铸件占约30%。不管是铝材还是铸件，几乎都要经过热处理才能使用，只有约0.4%的粉、膏不需要热处理。,铝的电解生产技术,铝合金的消费量是仅次于钢铁的金属材料。门窗、铝灌、汽车，等等。铝代替合金钢后，可减少Cu、Cr、Ni等元素的消耗。铝生产的问题：耗能大，每吨铝耗能是钢的4.5倍；污染物排放大，如排放CO2是钢的7-9倍。,加入NaF、Al2F6、LiF、CaF2、MgF2调节电解质温度，降低900以下，每降100，节电1.5kw.h。电解槽超大型化发展,电解铝示意图,CO2,HF,C,铝电解烟气净化,阳极消耗，生成CO2。电解槽中还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。,铝电解用新材料,（1）惰性阴极材料传统电解槽的问题：铝液与炭块润湿性不好，不能有效接触，影响电流效率。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，铝液不断波动，电能耗增加。另外，冰晶石和铝液渗入炭块，使之膨胀破坏。,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层，磁场的作用几乎降到零，铝液面保持平整；（2）极距大为降低；（3）极距降低减少电能消耗，极距降低1cm，可节电1000kWh/t(Al)；（4）延长电解槽的使用寿命。,TiB2惰性阴极材料,目前认为，TIB2是唯一在铝液中溶解度很小、导电率高、能被铝液润湿的材料。可润湿阴极的优点：极距降低1厘米，可节电1000kwh/t(Al)。,硼化钛涂层及硼化钛复合材料阴极,（1）硼化钛涂层阴极涂料成分：TiB230%60%，炭素填料1840，有机树脂2035。涂层工艺：刷涂。涂层效果：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；降低电阻率50，提高电流密度，降低能耗。,（2）硼化钛复合阴极材料成分：TiB2粉、炭素填料、粘结剂。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，之后压制成形，最后烧结。使用效果：阴极润湿性好，电耗降低188kWh/t(Al)，电解槽寿命提高2年。,惰性阳极材料,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，主要困难是没有合适的电极材料。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；（2）良好的导电性；（3）良好的抗热振性。,惰性阳极材料的具体性能要求,（1）导电率大于现有炭阳极；（2）腐蚀率小于100mm/n，寿命大于5年；（3）铝质量等于或优于现有铝质量，不含Be、Cr等有害环境的元素。,使用惰性阳极的意义,（1）阳极无CO2排出，只有O2；（2）阳极不消耗，无需更换，电解槽全密封；（3）能耗下降423。,有希望的惰性阳极材料,金属氧化物陶瓷：金属阳极表面CeO2涂层NiO-NiFe2O4+CuAg,铝的合金化,纯铝的强度低，通过添加合金元素提高铝的强度。主要强化方法：固溶强化，沉淀强化，变形强化。Zn、Ag、Mg在铝中的溶解度大于10%；Zn、Ag固溶效果差。Cu、Li、Mn、Si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；Al-Cu耐热性好；Al-Si铸造性能好。,铝合金的分类,把铝及铝合金分为：变形铝合金（图中）和铸造铝合金（图中）两大类。其中变形铝合金又分为工业纯铝(1)、热处理不可强化的铝合金(2)和热处理可强化的铝合金(3)。,铝合金相图铝端示意图,Al,1,2,3,L,+L,+,合金元素%,变形铝合金分类,变形铝合金按主要合金元素的不同分为：工业纯铝（1系）合金，注册的常用合金有41个，AlCu系合金（2系），注册的常用合金有92个；AlMn系合金（3系），注册的常用合金43个；AlSi系合金（4系），注册的常用合金32个；AlMg系合金（5系），注册的常用合金98个；AlMgSi系合金（6系），注册的常用合金99个；AlZn系合金（7系），注册的常用合金78个；铝-其他元素系合金(8系)，40个；总共533个常用合金。（红色为热处理可强化合金）,铸造铝合金分类,Al-Si系合金，如ZL102Al-Cu系合金，如ZL201Al-Mg系合金，如ZL301Al-Zn系合金，如ZL401,Al-Mg二元相图,Al-Cu相图,Al-Si相图,Al-Zn相图,变形铝合金的热处理,1.铸锭均匀化退火在高温下通过扩散消除铸锭和铸件凝固过程中形成的晶内成分不均匀，改善工艺性能和使用性能。,2.回复和再结晶退火将冷变形的铝合金加热，会发生回复和再结晶。回复过程的本质是点缺陷运动和位错运动及其重新组织，表现为位错多边形化，形成亚晶组织。回复不能使冷变形储能完全释放，只有再结晶过程才能使加工硬化效应完全消除。,再结晶首先形成结构完整低位错密度的晶核，之后晶核吞食周围变形基体长大，最好完全变为新晶粒。再结晶的结果，形成新的缺陷密度低等轴晶粒，其中位错密度下降到变形前的水平，残余应力和加工硬化现象完全消除。,淬火及时效,固溶处理通常被称为淬火，是获得过饱和固溶体必不可少的工序。,沉淀强化,获得明显沉淀强化效果的条件：（）合金元素溶解度高，随温度变化明显；（）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明显。,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，为的是形成新的强化相。Al-Zn-Mg，强化相：MgZn2、Al2Mg3Zn3Al-Mg-Si，强化相：Mg2SiAl-Cu-Mg，强化相：CuAl2、Al2CuMg,变形强化,纯铝及不可热处理强化的铝合金，如Al-Mg、Al-Si和Al-Mn等合金，通常只能以退火或冷作硬化状态使用。经冷作硬化的铝合金，需进行再结晶退火，以达到消除加工硬化和获得细小晶粒的目的。,铝合金的细晶强化,细化晶粒、细化亚结构能使铝合金的强度提高约1030%。为了使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素（Mn、Cr、Zr、Ti）提高再结晶温度。晶粒直径为微米级的细晶铝合金可产生超塑性。例如Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn，伸长200%不发生晶粒长大。,铝合金的热处理原理,铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效。退火的主要目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性。时效的目的主要是提高铝合金的强度。,Al-Cu合金的时效,Al-Cu合金放入干冰（-78）中固溶处理，抗拉强度为200MPa左右，长期在干冰中存放，性能无变化。从干冰中取出在室温存放，小时后开始硬化，放置天硬度达到最大值。50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：将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于100温度的环境下，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。人工时效：100以上温度造成的时效称为人工时效。,Al-Cu合金的时效过程,（）GP区的形成为什么先形成GP区？GP区无独立的晶体结构，与母相完全共格，在与GP区垂直的晶向上产生弹性收缩。GP区厚：几个原子。直径：10nm。GP区间距：2-4nm。,ProfessorA.Guinier，teachingcrystallographyinbothrealandreciprocalspaces，UniversityofOrsay-ParisXI,ProfessorG.Prestonalittlebeforehisretirement(courtesyofthearnegieLaboratoryofPhysics,UniversityofDundee).,AlCu2,5.65%,Al-Cu合金相图,GP区模型，Cu原子在Al的100面上偏聚,（）生成时效温度升高，GP区直径急剧长大。Cu、Al原子逐渐形成规则排列，形成正方有序结构。a=b=4.04（Al：4.05）。c轴7.68，比Al晶格常数的倍（8.08）略小，c轴产生4%的错配度，晶格畸变增大，强度升高。,（）的生成20012小时时效，生成。正方点阵a=b=4.04，c轴5.80，名义成分CuAl2，与基体局部失去共格，应力场减小。合金硬度、强度下降，开始进入过时效阶段。,Al-Cu合金中、及相的晶体结构,（）相生成进一步提高温度和延长时效时间，转变成（CuAl2）。相属于体心正方点阵，与基体失去共格关系，合金强度和硬度明显降低。过饱和GP区过渡相过渡相（CuAl2）有时上面几相可能同时存在。,铸造铝合金,铝合金是最重要的工业结构材料之一，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，凝固过程控制、细化凝固组织、改变共晶组织生长形态，是控制铸造铝硅合金性能的重要措施。,铸造铝合金分类,Al-Si系合金，如ZL102Al-Cu系合金，如ZL201Al-Mg系合金，如ZL301Al-Zn系合金，如ZL401,主要的铸造铝合金,（）Al-Si、Al-Si-Mg系，强度中等，常温使用，适合铸造复杂形状零件，常用。（）Al-Cu，热强性好，工作温度高，铸造工艺性好，抗腐蚀性较低。（）Al-Mg，强度高，切削性能好，耐蚀性、铸造性较差。（）Al-Re，耐热性好，铸造工艺性好，室温强度低。（）Al-Zn，有自淬火性，可直接自然时效。比重大，耐热性较差。,Al-Mg二元合金相图,铸造铝合金的编号,铸造铝合金采用“铸铝”二字汉语拼音字头ZL表示，其后有三个数字，第一个代表合金系，其余为合金顺序号。例如：ZL102，表示Al-Si系第一号铸铝。,Al-Si系合金的牌号及主要成分,Al-Si合金相图,Al-Si系合金的铸造及其变质处理,Al-Si二元合金共晶体中，硅呈粗大针状，严重影响合金的性能，不能作为工业合金使用。直至1921年发现了变质处理方法，改变了硅的形状，提高了合金的性能，Al-Si合金才得到广泛应用。一般硅大于6%的铸造铝合金都要求在合金精炼后进行变质处理。,未变质的(a)和变质处理后的(b)Al-12%Si合金组织500,(a),(b),常用变质剂及变质处理方法,二元变质剂：2/3NaF+1/3NaCl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入合金液面上，保持1012分钟至变质剂熔化。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100150毫米，时间约35分钟。,变质处理的机理,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。加钠以后，形成大量（NaAl）Si2的结晶核心与铝形成共晶，使共晶成分产生偏移。同时，钠破坏了孪晶的角度，使硅的晶体不易生长，此外，硅晶体与铝的界面上也分布有钠，阻碍了硅的生长，因而硅以球状的方式长大。,Al-Si合金的热处理：,虽然硅在固溶体中随温度下降有明显的固溶度变化，但ZL-102合金热处理强化效果不大。这是因为硅的沉淀和集聚速度很快，甚至在淬火过程中都可能发生固溶体的分解，析出硅质点，而不形成共格或半共格的过渡相。因此生产上ZL-102合金一般只进行退火：30010，保温2-4小时空冷或随炉冷却。其典型性能为：b=160Mpa，0.2=9