鋁合金熱處理技術(shù)

鋁合金熱處理技術(shù)

     鋁合金熱處理的定義很廣，凡是人為控制之加熱與冷卻過(guò)程，用以改善材料之結(jié)構(gòu)與性質(zhì)者皆屬於熱處理，所以鑄錠在加工前成形中，或加工后以及鑄件所施之加熱及冷卻過(guò)程都叫熱處理，亦包含下式的處理：

(1) 浸熱(Soaking)，均質(zhì)化處理(homogenizing)預(yù)熱—使鑄塊組織均質(zhì)化而長(zhǎng)時(shí)間加熱處理。
(2) 再熱(reheating)熱間加工，而加熱處理。
(3) Annealing退火-軟化材料。
(4) Solution heat treatment)溶體化處理，auenching淬火，回火(artificial aging 或 temper)—提高材料強(qiáng)度
(5) Stabilizing treatment安定化處理

鋁合金分為兩大類(lèi)：

(1) Heat treatable alloy
(2) Non-heat treatable

熱處理鋁合金為2XXX，6XXX，7XXX或2XX.X，3XX.X，7XX.X，其區(qū)分是熱處理鋁合金如施以適當(dāng)熱處理其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一種相變化，產(chǎn)生細(xì)緻析出物，藉此種析出物，強(qiáng)化材料。這種現(xiàn)象叫析出硬化或時(shí)效硬化。

(Heat treatable alloy =precipitation-hardenable alloy)

非熱處理合金則無(wú)析出硬化現(xiàn)象(但也會(huì)有析出物)，故其強(qiáng)化作用通常借助一般的方法，如因溶體強(qiáng)化，加強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化。

(1) 鋁合金之特性

首先我們先討論鋁及其合金的特性來(lái)說(shuō)明鋁及鋁合金為何大量的被運(yùn)用。
(a)　　輕~2.7Mg/m，差不多是同體積銅或鋼的1/3重量。
(b) 防腐蝕能力強(qiáng)。
(c)　　可反射輻射能—可見(jiàn)光、輻射熱、電磁波。
(d) 導(dǎo)電及導(dǎo)熱能力強(qiáng)，且又是非鐵磁性。
(e)　　non-sparking
(f)　　 無(wú)毒性
(g)　　外觀及表面易處理
(h)　　機(jī)械性質(zhì)良好
(i)　　 存量多

鋁合金的代號(hào)甚多，例如：A.A(Aluminum,Association)

Al coa：(Alumunum Company of America)，JIS，DIN，BS等等，在我們僅說(shuō)明A.A.代號(hào)及J.I.S代號(hào)：

A.A.代號(hào)用四位數(shù)字表示
1XXX 純鋁系 99.00%以上
2XXX Al-Cu
3XXX Al-Mn
4XXX Al-Si
5XXX Al-Mg
6XXX Al-Mg-Si
7XXX Al-Zn
8XXX 前代號(hào)以外之系統(tǒng)
9XXX 備用

J.I.S代號(hào) A2P1
A-　　代表鋁
2-表示大區(qū)別 1.鋁 2.耐蝕鋁合金 3.高力鋁合金 4.耐熱鋁合金
P-表示形狀　　P板 R條　　E圓板 PC合板 RC合條 T管
　　　　　　　　　　　　B棒 W線 S擠壓形材 V卯釘材 F鍛造品
　　　　　　　　　　　　H箔 TW熔接管 BC導(dǎo)體
1-表示種類(lèi)　　 特1　　 特2分別用S.O

(2) 鋁合金之析出硬化

當(dāng)金屬所受襪力超過(guò)其降伏強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生塑性變形，從內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)看，變形最主要是由差排(dislocation)再受外力下，開(kāi)始移動(dòng)而造成。因此差排運(yùn)動(dòng)的難易關(guān)係到金屬的強(qiáng)度，差排越不易運(yùn)動(dòng)，則外加力勢(shì)必越大材足以使他移動(dòng)而形成塑性變形，此時(shí)材料呈現(xiàn)的強(qiáng)度越高，反之，呈現(xiàn)的強(qiáng)度越低。因而各種使材料強(qiáng)化的手段包括設(shè)計(jì)適當(dāng)合金成分、施加適當(dāng)鑄造技術(shù)、熱處理技術(shù)、加工技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是造成材料內(nèi)部差排移動(dòng)阻礙的因素，阻礙差排運(yùn)動(dòng)的因素有溶質(zhì)原子(即所謂固溶強(qiáng)化)、差排互相干擾(即加工強(qiáng)化)、晶界(即細(xì)晶強(qiáng)化)、麻田散相(即麻田散強(qiáng)化)、第二相顆粒(有散佈強(qiáng)化、擴(kuò)散強(qiáng)化、析出強(qiáng)化)等。

　　在上述強(qiáng)化方法中，乙烯初強(qiáng)化最晚為人類(lèi)所發(fā)現(xiàn)，但他是一種十分有效的強(qiáng)化方法，可使一個(gè)材料晶析出硬化熱處理提高5至6倍的強(qiáng)度，許多高級(jí)的結(jié)構(gòu)材料即靠析出強(qiáng)化來(lái)獲致其強(qiáng)度，如Al-Zn-Mg，Al-Cu、Al-Mg-Si，

Cu-Be、麻時(shí)效鋼(maraging steel)、析出硬化型不銹鋼等。

　　以Al-Cu合金平衡圖為例，可瞭解此種原理。由圖可看出鋁基地(α相)對(duì)Cu的飽和溶解度，再548℃時(shí)是5.7%，隨溫度逐漸下降，至0℃時(shí)僅0.2%。當(dāng)鋁基地中的Cu含量超過(guò)此一固線(solvus line)時(shí)，多餘的Cu含量便以θ(CuAl 化合物)析出來(lái)。例如Al-4%Cu合金，在540℃時(shí)Cu全鋁基中而為α固溶體，如果將之緩慢冷卻，到了A點(diǎn)以下，飽和溶解度開(kāi)始低於4%，此時(shí)θ便開(kāi)始析出，沿晶界析出較粗大，基地內(nèi)析出較小些。如果吾人採(cǎi)用快速冷卻，例如將之淬火至室溫水或更低溫液體，由於冷卻速率太快，不超過(guò)1~2秒的時(shí)間，就到達(dá)低溫狀態(tài)，故此時(shí)不像食鹽水之能迅速析出沉淀，在這短時(shí)間內(nèi)，θ相是來(lái)不及析出的。且由於固體中原子擴(kuò)散速率再低溫時(shí)甚為緩慢，在一段時(shí)間內(nèi)，析出幾乎被抑制，因而淬火后得到的是過(guò)飽和的固溶體。

　　淬火在時(shí)效析出物比緩慢冷卻者細(xì)小而緻密，由於前以敘述及析出物越緻密，其析出強(qiáng)化效果越好，固實(shí)用的析出硬化熱處理程序必須包括下列三個(gè)基本步驟：

固溶熱處理(solution treatment)→淬火(quench)→時(shí)效處理(aging treatment)

固溶處理係指將材料生溫至固溶體單相區(qū)一段時(shí)間，以便讓溶質(zhì)全部溶入基地而成單一α相；淬火係指將固溶處理后的材料迅速冷卻以得飽和固溶體。時(shí)效處理則將此過(guò)飽和固溶體放置在恆溫，使其逐漸析出析出物而造成性質(zhì)上的變化。此恆溫若為室溫則稱(chēng)為自然時(shí)效(natural aging)，若在叫高溫爐中進(jìn)行則稱(chēng)之為人工時(shí)效(artificial aging)。

　　圖3-1顯示一個(gè)典型的時(shí)效硬度曲線，硬度在時(shí)效初期質(zhì)逐漸上升，對(duì)時(shí)間后達(dá)最高硬度，過(guò)了最高點(diǎn)，硬度逐漸下降，這三個(gè)階段分別稱(chēng)做初時(shí)效、最高時(shí)效及過(guò)時(shí)效；一般而言，初時(shí)效硬度上升是由於析出物逐漸析出，體積比逐漸增加，析出物間距越小所致；到了最高時(shí)效時(shí)，此時(shí)析出物呈現(xiàn)最佳的分佈狀態(tài)，亦即對(duì)差排的阻力最大；過(guò)時(shí)效的形成是由於析出物的粗化，所謂粗化就是說(shuō)由於析出物在希望減少總表面積以降低總表面能的趨使下，大的析出物越長(zhǎng)越大，小的析出物逐漸變小而消失，亦即粗化的結(jié)果，造成析出物半徑增大，個(gè)數(shù)減少，間距加大，根據(jù)前述之強(qiáng)化機(jī)構(gòu)，可之粗化降低對(duì)差排的阻力，并使硬度下降。

(3)鋁合金熱處理技術(shù)

1.　　 熱處理鋁合金加工代號(hào)
F：As fabricated表示冷加工，熱加工或鑄造成形后不在施以特別處理。
O：Annealed表示退火至最低強(qiáng)度水平之鍛製品，及經(jīng)退火增加延展性及尺寸安定性之鑄造品。
H：Strain Hardened表示經(jīng)加工變形之鍛製品。
W：Solut heat treated：表示僅固溶體處理后自然時(shí)效W1/2 hr。
T：Heat treated to produce stable tempers other than F . O . or H .

2.　　 熱處理代號(hào)
H1：僅加工硬化者
H2：加工硬化且未完全退火(部分退火)
H3：加工硬化作低溫加熱以便稍微降低強(qiáng)度以增進(jìn)延展性及安定性
H1X，H2X，H3X
X由1~8
8：50℃以下將完全退火之合金施以75%冷滾所的之強(qiáng)度
0：為完全退火之強(qiáng)度
4→8+ 0/2
H 112 製造成形時(shí)加工硬化但加工量為加以控制
H 321 製造成形時(shí)加工硬化，加工量特定

3.　　 T代號(hào)之細(xì)分
T 1 從較高溫之成形加鑄造、擠形等過(guò)程中冷卻下來(lái)并自然時(shí)效。
T 2 從較高溫之成形施以冷加工并自然時(shí)效。
T 3 固溶體處理后，冷加工并自然時(shí)效
T 4 固溶體處理后，直接自然時(shí)效
T 5 輕較高溫度成形施以人工時(shí)效
T 6 固溶處理后人工時(shí)效
T 7 固溶處理后人工時(shí)效至過(guò)時(shí)效狀態(tài)
T 8 固溶體處理后，冷加工并人工時(shí)效
T 9 固溶體處理后人工時(shí)效并冷加工
T 10 較高溫之成形施以冷加工并人工時(shí)效
TX 51 固溶體處理后用伸張的方法消除內(nèi)部應(yīng)力
TX 52 固溶體處理后用壓縮的方法消除內(nèi)部應(yīng)力
TX 53 用伸張及壓縮的方法消除內(nèi)部應(yīng)力

4.　　 熱處理注意事項(xiàng)：

1.Solution Heat Treatment 固溶體處理
一般處理溫度約只低於共晶溫度10~15℉，對(duì)於高成分的合金要避免超過(guò)共晶溫度，否則發(fā)生共晶反應(yīng)在晶界上形成脆性之共晶結(jié)構(gòu)影響材質(zhì)

1.　　 Over heating
2.　　 Nonequilibrium Melting
3.　　 Underheating
4.　　 Solution Treating time, soaking time
5.　　 High Temperature Oxidation 高溫氧化

2.Quenching淬火

淬火之目的在造成過(guò)飽和之固溶體，最理想的淬火是保持固溶體之溶解度→細(xì)密、析出強(qiáng)度高，且耐蝕及抗屬力腐蝕性也會(huì)改善→保持大量之Vacancy有益析出硬化

原則上淬火速率越快，淬火溫度越低越好，但是淬火速率太快往往會(huì)造成變形或內(nèi)部應(yīng)力，因此對(duì)形狀較不規(guī)則的物體仍採(cǎi)慢淬火為宜。

注意事項(xiàng)：
1.　　 操作需迅速→遲了機(jī)械性質(zhì)、耐力、伸度會(huì)劣化，組織不均勻也會(huì)降低耐蝕性越薄→越快。
2.　　 淬火材料要夠

3.Precipitation Heat Treatment(時(shí)效處理)析出熱處理溫度越高硬度上升越快達(dá)到硬度之時(shí)間越短，但最高硬度相形下降，而工業(yè)上，溫度越高，成本越大。自然時(shí)效 natural aging(常溫時(shí)效)如2040合金，T4人工時(shí)效 artificicl aging, Precipitation heat treatment 7075自然時(shí)效雖快但硬化一直增加中難獲安定之結(jié)構(gòu)，故此合金採(cǎi)人工時(shí)效。一般而言，過(guò)時(shí)效之伸長(zhǎng)率與韌性數(shù)初時(shí)效差一般合金不適合作過(guò)時(shí)效處理，但若考慮高溫安定性時(shí)，較高溫之過(guò)時(shí)效是以必要的。另外7000系鋁、鋅鎂合金t6處理之強(qiáng)度高，但抗蝕性最差，過(guò)時(shí)效反可大幅改善，因之7000系如7075，在實(shí)用上如應(yīng)力腐蝕顧慮時(shí)必將T73或T76處現(xiàn)。淬火后再低於常溫保持時(shí)，一般會(huì)抑制析出，如2014，2017，2024在-20℃放置一周幾乎不變-遲效，如2117—鉚接材

4.　　 退火Annealing
Full annealing 充分退火，對(duì)加工硬化物之物件通常以再結(jié)晶而對(duì)可熱處理合金溶質(zhì)均以全部析出(防止自然析出)
如太高溫度或長(zhǎng)時(shí)間加熱的話，結(jié)晶粒粗大，機(jī)械性質(zhì)差，甚至肌膚粗糙。
油污(oil station)→因油脂使表面變色
部分退火(低溫退火)→高於常溫，加熱時(shí)間短→結(jié)晶細(xì)而且軟→只適用於薄而形狀單純者

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