铝合金热处理原理及技术探析

韦力

摘 要：铝合金的综合性能在很大程度上依赖热处理工艺，从热处理的原理概述出发，具体介绍了铝合金的退火和淬火时效的关键技术，分析某些大型铝合金元件容易产生的热处理变形过大的问题，并提出相关控制措施。

关键词：铝合金；热处理技术；退火；淬火

中图分类号：TG166.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）06-0024-02

随着有色金属技术的迅猛发展，铝合金以密度低、强度强、热导率高、导电性好、抗腐蚀性和冷切削加工性能优等突出优势，成为航空工业、军工、造船、医疗、民用建筑、矿山冶金、汽车和机械制造等行业最常用的结构材料之一。由于铝合金的综合性能在很大程度上依赖于热处理工艺，所以笔者结合实践经验，就该技术进行简单探讨，以供后期研究参考。

1 热处理原理概述

从广义上说，所谓“热处理”其实是指改变金属产品的机械性能、冶金机构或残余应力状态的任何加热和冷却操作，具体到铝合金热处理，通常仅指选用某一热处理规范，对铝合金加热速度进行控制，在温度升至某一适宜温度时，保持该温度一定时间（称为保温），并以一定的速度冷却，从而改变其合金的组织，进而改善铝合金材料内在质量，达到赋予或改善其使用性能的目的。从本质上而言，铝合金的热处理其实是一种人为的控制铝合金的加热和冷却的过程，其目的大致可概括为以下几点：①提高铸件的机械性能，保证优良的工艺塑性，提高合金的强度和抗拉强度，改善合金的切削加工性能等；②消除因铸件壁厚不均匀、快速冷却等造成的内应力；③确保铸件的尺寸和组织的稳定性，消除因高温引起相变产生体积胀大的现象；④消除偏析和针状组织，改善合金的组织和机械性能。

2 铝合金热处理技术

2.1 热处理设备

铝合金的热处理是一种精密工艺，为了保证希望的热处理均匀性和“温度—时间”循环的可重复性，热处理工艺必须在精确的加热工艺条件和足够的控制仪表炉子中进行。具体来说，所用设备主要有：①轧制用坯锭、卷带的二次加热和均匀化生产线；②挤压铝锭的均热生产线，前者主要有铝锭加热电炉、周期式均热炉和铝扁锭均热炉等；而后者一般由多台均热炉、冷却室、装卸料台、复合装卸料车和电控系统组成，加热措施为电加热或火焰加热。

2.2 热处理工艺

铝合金的基本热处理一般采用退火或淬火时效来实现。退火是一种软化处理，目的是保证一定的塑性和组织的稳定性；淬火时效是一种强化处理，在淬火时使强化相充分地固溶在铝材中，在随后的时效过程中（又称沉淀硬化）获得最大的强化效果。

2.2.1 退火

所谓“退火”就是将工件加热到某一相应温度后，保温一定时间，并以缓慢速度冷却的一种工艺。根据具体目的的不同，退火分为应力退火、再结晶退火和均匀退火等。

2.2.1.1 去应力退火

铸件、焊接件、切削加工件、塑性变形工件等的残余内应力往往很大，这不仅加剧了应力的腐蚀性，还降低了组织和机械性能的稳定性。因此，需要做应力退火处理，即将铝合金工件加热到某一较低温度，保持一定时间后再缓慢冷却，此过程是为了在升温的同时增大原子的活动能力，从而最大程度地减少或消除晶体晶格中的某些缺陷，同时降低晶格的扭曲能量。采用去应力退火可以大大降低晶格的弹性畸变，减小内应力，在稳定尺寸并减小应力腐蚀倾向的同时，又确保了一定的强度和硬度。

2.2.1.2 再结晶退火

即将铝合金工件加热到再结晶温度以上，保持一定时间后缓慢冷却，其目的是为了细化晶粒，消除内应力并降低合金硬度，提高塑性变形能力。为确保获取细晶粒组织，必须强化加热温度、保温时间和加热速度这三大要素。对同一合金来说，在加热温度高的情况下，应缩短保温时间，以免进入聚集再结晶阶段使晶粒长大；在加热温度较低的情况下，应延长保温时间，以确保再结晶的充分性，获得细小均匀的组织。

2.2.1.3 均匀化退火

对铸件或铸锭进行浇注时，一旦冷却速度过快，会使结晶在不平衡状态下进行，这样往往会造成一些缺陷，例如偏析、不平衡共晶体、第二相晶粒粗大和硬脆相沿晶界分布等，从而对合金的强度、硬度、抗蚀性造成极大的影响。因此，为避免以上情况发生，需要进行均匀化退火，即将合金加热到接近熔点的温度，保持一定时间后再缓慢冷却。均匀化的过程其实是原子扩散的过程，因此也被称为扩散退火，要确保其质量，关键是要抓好加热温度和保温时间两大要素。

2.2.2 淬火时效

淬火也称固溶化处理，其实质是尽可能将铝合金工件加热至高温（一般在500～570 ℃之间），并在该温度下保持足够长的时间，随后快速地将仍在高温状态下刚刚凝固的铝铸件直接淬入水或油中，使固溶体呈过饱和状态，并加以人工时效，从而使固溶体获得最大的强化效果。一般而言，固溶化处理的温度愈高，与共晶转变温度或固相线温度越是接近，则淬火的效果也越为显著。但需特别指出的是，由于铸件的冷却速度较大，合金在非平衡状态下结晶会出现非平衡的共晶体，因此，应确保淬火温度低于熔点共晶的熔点。对此，可采取分级加温的方式，初始温度应确保小于共晶温度5～10 ℃，保证组成共晶体的第二相溶入固溶体中，接着继续提高温度至此接近固相线的温度，进行短期保温，最大可能地将剩余的第二相溶入固溶体中，这样既避免了“过烧”，又能获得较好的机械性能。此外，在进行固溶化处理时，保温时间的长短取决于强化相溶入固溶体中所需的时间，一般而言，铝合金中强化相溶入固溶体的速度越大，则保温时间越短，比如较金属型和薄壁铸件来说，砂型和厚壁铸件的保温时间更长；铝合金中强化相的扩散速度大，则保温时间可相应缩短，例如从扩散速度来说，Mg2Si>CuAl2>Mg2Al，因此Al-Si-Mg合金的保温时间较Al-Cu，A1-Mg可相应缩短。

3 热处理工艺过程控制

在实际中，很多铝合金元件形状复杂、尺寸较大、壁厚不匀，在现有的设备和工艺条件下，可能会造成各种热处理缺陷，例如裂纹、变形和机械性能不合格等。因此，有必要采取一定的控制措施，提高热处理的质量。

3.1 加热过程控制

铝合金元件在加热升温的过程中，表面升温的速度往往快于心部，从而导致热应力的产生。如果元件壁厚且加热速度过快，则表面和心部的温差就明显，热应力也相应越大。因此，可以采用降低加热速度的方式来减小元件的热应力，进而降低加热变形的概率。需指出的是，由于加热速度对形状简单且尺寸较小的元件影响较小，因此，该方式主要针对的是大型的铝合金元件。做好加热过程控制可以从以下几点做起：①增加等温阶段。此措施是为了减小加热过程中元件表面与心部之间的温差，进而减小变形。例如ZL111铝合金，可在到达固溶温度前，在490 ℃和500 ℃两个温度阶段进行等温。②控制升温速度。在低温阶段，升温速度可以大一些；反之，在高温阶段，应降低升温速度，进而有效控制变形。③控制元件的入炉温度。在连续生产时，铝合金固溶炉在一炉元件淬火后，往往接着进行下一炉，此时炉内仍旧处于高温状态，通常在400 ℃左右，不利于有效控制加热速度。因此，有必要在工艺上明确规定元件的入炉温度，保证元件在炉温降至规定温度后才能进炉，例如ZL111铝合金的入炉温度以小于150 ℃为宜。

3.2 冷却过程控制

固溶处理淬火冷却时，冷却速度与热应力往往成正比，速度越快热应力越大，越容易增加元件变形概率。因此，在保证冷却过程中不析出第二相的前提下，适当地对冷却速度加以控制，有利于减小元件变形概率。铝合金固溶处理常以水或油为冷却介质，其中以水最为普遍，而水的冷却能力在很大程度上取决于其温度，随着水温的升高，冷却能力急剧下降。工艺上对水温的规定范围通常较大，可为60～100 ℃，实际操作中对水温的控制要求也不严格，但一些大型的铝合金元件变形要求较高。因此，工艺上必须考虑水温对冷却速度的影响，并做好严格的控制，在确保达到所需冷却效果的前提下，提高水温，进而降低冷却速度，有效降低元件冷却变形概率。

3.3 采用校正方法减小变形

校正是降低或消除元件变形的有效手段之一，但受元件结构限制，并非所有的铝合金元件都适合校正。对符合校正要求但在热处理变形仍不能满足机械加工要求的元件，可利用铝合金元件在固溶处理前或固溶处理后人工时效前强度低、塑性好的特点进行校正，例如可在固溶处理前采用重物挤压的方法对ZL111铝合金进行校正，减小其平面翘曲。

当前，铝合金产品的应用呈现越来越广泛的趋势，对其热处理质量的要求也越来越高，这就要求相关工作人员要不断加大对热处理工艺技术的研究，改善和提高铝合金的综合性能，保证热处理的质量，促进其更广泛地被应用。

参考文献

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[3]朱明超，董阳，纪冬冬.铝合金热处理技术[J].硅谷，2011（21）.

〔编辑：李珏〕