浅谈铝合金材料及其热处理技术

豆 杰，刘纪伟

（商丘阳光铝材有限公司，河南 商丘 476000）

铝元素在地壳中含量丰富，但由于铝元素的形态不稳定极易被氧化和与其他元素相结合，通常以氧化铝及其化合物的形式存在。随着我国有色金属工业的快速发展并形成了完整的工业体系，对铝矿石进行大量的开采、冶炼和加工，目前我国铝的冶炼能力在330万吨以上，铝材加工能力在335万吨以上。由于铝合金材料质量轻、密度小、熔点低，导电导热性、抗腐蚀性和可塑性能好以及适用范围广、耐久性强、装饰效果好，具有更好的物理性能和机械性能，能够利用冲压、弯曲、轧、挤压等工艺和经过熔融法制锭、塑性变形加工，使其组织、形状发生变化后形成不同的形态和规格和以熔融金属充填铸型的方法，获得各种规格形状的零件毛坯，铝合金可以做出各种形状的成品，因此，受到人们的广泛关注和利用。对于形变铝合金可以利用退火、固溶淬火、时效和回归热处理技术，经过加温、保温、冷却及淬火、回归等改变铝合金的内部组织，提高铝合金的机械性能和物理性能，改善其可塑性，从而使其应用更加广泛。目前被应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等重要领域，是发展我国现代工业、现代国防和现代科学技术不可缺少的重要材料，为我国社会经济的腾飞和工业经济的飞速发展做出了重要的贡献。

1 铝合金的发展

铝元素在地壳中含量丰富仅次于氧和硅，由于铝元素的形态不稳定极易被氧化和与其他元素相结合，因此铝是以氧化铝及其化合物的形式存在于自然界中，必须经过化学反应才能得到金属铝。1808年金属铝首次在实验室被电解还原出来，后期经过科学家们的不断试验，不断改进制取方法，终于在1854年被德国化学家德维尔从氯化铝中还原制得铝锭，由于其提取难度较大被人们视为珍宝。直到19世纪后期廉价电力的出现和科学家改进了提取方法，使得铝的生产规模逐步扩大并在其中加入各种金属元素合成了铝合金材料。随着铝合金材料的优点逐渐凸显以及人们对它的研究不断深入，更多的铝合金产品被发现，比如，铝合金1050、2017合金、2024合金、6061合金、6063合金、7075合金以及A356铸造铝合金等，并广泛应用在电力、航空、军事、科技等方面，成为全球机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等领域的重要原料。

2 铝合金的特性

纯铝的密度小，接近2.7g约为铁或铜的1/3；导电导热性好，仅次于银、铜和金；抗腐蚀性能好，铝的表面易生成一层AL2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。铝合金除保持了纯铝的上述特点以及质量轻、熔点低、可塑性好的特性外，经过热处理强化后强度变得比较高，其σb值可达24kgf/mm2～60kgf/mm2，比强度接近甚至于超过优质钢，而且成品适用范围广、耐久性强、装饰效果好，具有更好的物理性能和机械性能。其物理性能如表1。

表1 铝合金的物理性能

其机械性能如表2

表2 铝合金的机械性能

3 铝合金的分类

铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。形变铝合金是利用冲压、弯曲、轧、挤压等工艺和经过熔融法制锭、塑性变形加工，使其组织、形状发生变化后形成不同的形态和规格。按其对热处理的敏感性可分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。可热处理强化铝合金是应用淬火和时效等热处理手段来提高机械性能和物理性能，包括硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等；不能热处理强化铝合金是通过冷加工变形来强化机械性能，包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。形变铝合金还可以按其性能和使用特点进行分类：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金和特殊铝合金。铸造铝合金是以熔融金属充填铸型的方法，获得各种规格形状的零件毛坯。按其性能可分为Al-Si和Al-Si-Mg-Cu为基的中等强度合金；Al-Cu为基的高强度合金；Al-Mg为基的耐蚀合金和Al-Re为基的热强合金。

4 铝合金材料的热处理技术

铝合金材料的热处理就是选择合适的热处理方式，将铝合金加热并控制升温速度待温度达到某一相应摄氏度时保温一定时间然后以设定的速度降温冷却，改变铝合金的内部组织，提高铝合金的机械性能和物理性能，改善其可塑性，从而获得材料的稳定性。

（1）铝合金材料热处理的技术特点。铝合金刚淬火后其强度与硬度不会马上升高，待到一定时间之后（一般为96h～144h），强度与硬度会明显升高，而这时的温度可能是室温也可能是高于室温的某一温度范围，但是其塑性却恰恰相反，刚淬火后塑性升高，随着时间的推移塑性逐渐降低。

（2）铝合金材料热处理的强化原理。铝合金热处理强化过程比较复杂，由于铝合金的组成成分不同，如AI—Cu—Mg、Al一Cu—Mg—Zn、Al—Zn—Mg—Si等因加入不同的金属元素，这些金属元素组成溶质原子在固溶体中无序分布，与位错之间存在着力学的、化学的以及电学的相互作用不同，进而影响它的强化过程；由于铝合金加工的用途及零件和构件不同，对时效工艺参数的控制不同，也会影响铝合金的强化过程；还有铝合金在生产过程中造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等，都会对铝合金的强化过程产生影响。但总的来说，时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。一方面，铝合金在淬火加热的同时，合金中会形成一定的空位，冷却时由于降温速度快这些空位来不及移出，便被封闭在晶体内与溶质原子结合在一起。由于它们处在亚稳定状态的固溶体中，随着固溶体向稳定状态转变，溶质原子在空位的作用下加快扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。另一方面，硬化区的大小和数量与淬火温度与淬火冷却速度密切相关，随着淬火温度越高、淬火冷却速度越快，固溶体内所固定的空位浓度越大，硬化区的数量就越多，硬化区的尺寸减小，提高了铝合金抵抗范性形变的能力。

（3）铝合金材料热处理的技术分类。对于可热处理的强化铝合金如硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等是应用热处理技术手段来提高机械性能和物理性能。其中热处理技术可分为四大类：退火、固溶淬火、时效和回归。

退火是将铝合金加热到一定温度并在高温下长期保温然后以设定的速度均匀冷却或在较低温度下保温较短时间后冷却或在高温下保温足够时间后冷却，提高材料表面的处理质量，有利于材料继续加工，获得完全再结晶状态的软化组织，提高材料塑性。固溶淬火是将铝合金加热到一定温度并保温到规定时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充分溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体进行挤压淬火，或以较快的速度冷却到室温（一般低于15秒）后淬火，进行冷加工或矫直工序。时效是将固溶淬火的铝合金材料在室温或须由人工控制温度和时间，让亚稳定状态的固溶体进行充分分解，第二相粒子从固溶体中析出分布在铝晶体周围从而产生强化作用的技术。回归是将已经淬火时效的铝合金材料在高温下加温较短时间使之恢复到新淬火状态，以提高材料塑性和有利于冷弯成形或矫正形位公差。

5 结语

铝合金是现阶段工业中应用最多的合金材料，被广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等重大领域。随着世界工业经济的飞速发展，全球对铝合金部件的需求越来越多，因此我们要加强铝合金材料的研究和开发，不断改进铝合金材料的加工工艺和处理技术，促进我国经济乃至世界经济的更快增长。