鋁材料淬火時(shí)效后強(qiáng)度和硬度大幅度提高
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上一篇我們就鋁合金固溶爐廠家對(duì)不銹鋼材料固溶處理做了詳細(xì)介紹和說(shuō)明。 本篇文章我們簡(jiǎn)單的對(duì)鋁材料淬火時(shí)效后強(qiáng)度和硬度大幅度提高進(jìn)行描述，作為專業(yè)的生產(chǎn)制造廠家江蘇九鼎工業(yè)爐科技有限公司，將盡心整理發(fā)布各種相關(guān)知識(shí)，竭誠(chéng)為您服務(wù)。
鋁材料淬火以后的變形鋁合金不能立即強(qiáng)化，它得到的是一種過(guò)飽和固溶體組織。這種過(guò)飽和固溶體不穩(wěn)定，它有自發(fā)分解的趨勢(shì)。在一定的溫度下，保持一定的時(shí)間，過(guò)飽和固溶體發(fā)生分解(稱為脫溶)，引起鋁合金強(qiáng)度和硬度大幅度提高，這種熱處理過(guò)程稱之為時(shí)效。
全自動(dòng)鋁合金淬火爐
在室溫下自然停放一定的時(shí)間，鋁合金強(qiáng)度及硬度提高的方法稱為自然時(shí)效。入為的將鋁合金制品在高于室溫下的某一溫度，保溫一定的時(shí)間，以提高鋁合金強(qiáng)度及硬度的方法稱入工時(shí)效。
對(duì)于Al-Mg-Si系的6063合金而言，自然時(shí)效進(jìn)行得非常緩慢，在室溫下停留半個(gè)月，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，也達(dá)不到較好的強(qiáng)化效果，比入工時(shí)效的強(qiáng)化效果要差30%～50%，所以一般都采用入工時(shí)效。含有主要強(qiáng)化相Mg2Si、MgZn和Al2Mg3Zn3的合金、都只有進(jìn)行入工時(shí)效才能獲得較高的強(qiáng)度。
含有主要強(qiáng)化相CuAl2和S(A12CuMg)等相的合金，采用自然時(shí)效和入工時(shí)效兩種方法都可以。如2A11和2A12合金采用自然時(shí)效和入工時(shí)效都可以獲得較好強(qiáng)化效果。究竟采用哪種時(shí)效方法，這需要根據(jù)合金的本性和用途來(lái)決定。一般在高溫下工作的變形鋁合金多采用入工時(shí)效，而在室溫下工作的變形鋁合金宜采用自然時(shí)效。
時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理
鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化理論，有很多種說(shuō)法。如彌散硬化理論、滑移干擾理論、溶質(zhì)原子富集成強(qiáng)化或硬化區(qū)理論等。目前普遍認(rèn)為時(shí)效強(qiáng)化或硬化是原子富集形成強(qiáng)化區(qū)的結(jié)果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，用X射線方法對(duì)鋁合金過(guò)飽和固溶體分解動(dòng)力學(xué)研究和通過(guò)電子顯微鏡對(duì)薄膜透射觀察，看到中間過(guò)渡析出階段(硬化區(qū))的數(shù)量、大小、形狀和分布特點(diǎn)，描繪了硬化區(qū)的形象，揭示了鋁合金時(shí)效硬化現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)。但時(shí)效硬化是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，與合金的成分、時(shí)效工藝、生產(chǎn)過(guò)程中的加工狀態(tài)都有關(guān)系，目前對(duì)時(shí)效的認(rèn)識(shí)還不十分徹底。下面僅介紹硬化區(qū)理論。
鋁合金在淬火加熱、快速冷卻時(shí)，形成過(guò)飽和固液體。過(guò)飽和固溶體有從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。而在過(guò)飽和固溶體快速冷卻過(guò)程中，合金中的大量空位也被“固定”在晶體中，這些空位的存在加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，促使溶質(zhì)原子的富集。這些溶質(zhì)原子富集區(qū)，開(kāi)始形成時(shí)是無(wú)序的，這種無(wú)序的富集區(qū)稱GPⅠ分區(qū)。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，這些富集起來(lái)的溶質(zhì)原子，逐漸有次序的排列起來(lái)，這種有序的富集區(qū)稱之GPⅡ區(qū)。
GP區(qū)的大小、數(shù)量決定于淬火溫度和冷卻速度。淬火加熱溫度越高，空位濃度越大，GP區(qū)的數(shù)量增加，GP區(qū)的尺寸減小。冷卻速度越大，固溶體內(nèi)的固定的空位越多，有利于增加GP區(qū)的數(shù)量，減小GP區(qū)的尺寸。當(dāng)時(shí)效溫度繼續(xù)升高，或時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，那些大于臨界尺寸的GPⅡ區(qū)發(fā)生長(zhǎng)大，形成過(guò)渡相θ′(或β′)，θ′相的化學(xué)成分與穩(wěn)定相θ(CuAl2)相同，與母體保持有共格關(guān)系，有效阻礙了金屬晶體的變形，因而大大提高了金屬的強(qiáng)度。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高或時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，過(guò)渡相θ′(或β′)變成了θ(CuAl2)相，這時(shí)的θ相完全脫離了母相，并有自己獨(dú)立的晶格。這時(shí)合金的強(qiáng)度已超過(guò)較大值，開(kāi)始下降，稱為過(guò)時(shí)效�？傊辖鸬臅r(shí)效過(guò)程是過(guò)飽和固溶體的分解脫溶過(guò)程，具有一定的順序：先形成GPⅠ區(qū)，GP區(qū)的有序化形成GPⅡ區(qū)，形成過(guò)渡相θ′(或β′)，從而形成平衡相。
脫溶時(shí)為什么不直接形成平衡相？這是由于平衡相一般與基體形成新的非共格界面，界面能大，而亞穩(wěn)定的脫溶產(chǎn)物θ′相與基體完全或部分共格，界面能小。相變初期新相的比表面大，因而界面能起決定作用。界面能小的相，形功小，容易形成。所以首先形成形核功較小的過(guò)渡相，再演變成平衡穩(wěn)定相。
不同合金系脫溶序列不一定相同。如Al—Cu系合金可能出現(xiàn)兩種過(guò)渡相礦θ″及θ′而大部分合金只存在一種過(guò)渡亞穩(wěn)定相。
脫溶序列及平衡脫溶相
A1—Cu：GP區(qū)(盤(pán)狀) →θ″ →θ′ →θ(CuAl2)
A1—Ag：GP區(qū)(球狀) →g′→g (AlAg2)
A1—Zn—Mg：GP區(qū)(球狀) →h′ →h (MgZn2)，↘ T′→T(A12Mg3Zn3)
Al一MG—Si：GP區(qū)(桿狀) →b′→b (MG2Si)
A1—Cu—Mg：GP區(qū)(桿或球狀) →S′ →S(Al2CuMg)
Al—Cu合金在130℃時(shí)效硬度和結(jié)構(gòu)的變化情況。時(shí)效各階段順序并不是截然分開(kāi)的，而是在前一階段尚未結(jié)束時(shí)，后一階段則已經(jīng)開(kāi)始。同時(shí)也可以看出時(shí)效硬化的主要結(jié)構(gòu)是GPⅠ區(qū)和GPⅡ區(qū)，時(shí)效硬度的高峰在GPⅡ區(qū)末期和過(guò)濾相θ′的初期。當(dāng)大量出現(xiàn)平衡相θ時(shí)，軟化明顯，說(shuō)明過(guò)時(shí)效發(fā)生。
6063鋁材料的入工時(shí)效工藝
6063合金的時(shí)效工藝比較成熟，一般選擇加熱保溫溫度為170～220℃，保溫l～8h。時(shí)效溫度低則保溫時(shí)間長(zhǎng)，選擇較高的時(shí)效溫度，則保溫時(shí)間相應(yīng)縮短。對(duì)于不同企業(yè)來(lái)說(shuō)，時(shí)效爐的加熱方式、爐子的形狀、大小、溫差各不相同。因此選擇較好的時(shí)效工藝，建議通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。例如切取一批6063合金擠壓制品的時(shí)效試樣，按溫度不同分成若干組，在每一個(gè)溫度下，又分為不同的保溫時(shí)間，進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)。然后將試樣分別測(cè)定抗拉強(qiáng)度，不同溫度、不同保溫時(shí)間測(cè)得的抗拉強(qiáng)度值列于表3—5—6中。然后將表中數(shù)據(jù)繪成時(shí)效硬化曲線。
時(shí)效溫度為l80℃時(shí)，達(dá)到6063合金國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的抗拉強(qiáng)度的保溫時(shí)間要4小時(shí)以上；時(shí)效溫度為l90℃時(shí)，則需要2.5小時(shí)以上；時(shí)效溫度為200℃時(shí)，則只需要l小時(shí)就可以了。目前各個(gè)企業(yè)多數(shù)采用下面三個(gè)不同的時(shí)效工藝：
1)時(shí)效溫度180±5℃，保溫4～8 h；
2)時(shí)效溫度l90±5℃，保溫3～6 h；
3)時(shí)效溫度200±5℃，保溫l.5～3 h。
保溫時(shí)間的選擇應(yīng)根據(jù)鋁型材的壁厚和裝料的緊密程度來(lái)決定。一般壁厚l.2 mm以下時(shí)取下限保溫時(shí)間，壁厚在5.0 mm以上取上限保溫時(shí)間。在其中間的壁厚選擇上、下限保溫時(shí)間的適當(dāng)時(shí)間。如裝爐量少，裝料稀疏可以選偏下限的保溫時(shí)間；裝爐量多，且擺放致密應(yīng)選偏上限的保溫時(shí)間。
時(shí)效溫度相差10℃，同一保溫時(shí)間下制品的強(qiáng)度相差較大，說(shuō)明鋁合金的時(shí)效效果對(duì)溫度十分敏感，為保證制品性能的均勻性和穩(wěn)定性，對(duì)時(shí)效爐的溫差要求較嚴(yán)。一般應(yīng)在±5℃的范圍內(nèi)，建議能控制在±3℃。
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