鋁材料淬火時效后強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不銹鋼材料固溶處理做了詳細介紹和說明。 本篇文章我們簡單的對鋁材料淬火時效后強度和硬度大幅度提高進行描述，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)布各種相關知識，竭誠為您服務。
鋁材料淬火以后的變形鋁合金不能立即強化，它得到的是一種過飽和固溶體組織。這種過飽和固溶體不穩(wěn)定，它有自發(fā)分解的趨勢。在一定的溫度下，保持一定的時間，過飽和固溶體發(fā)生分解(稱為脫溶)，引起鋁合金強度和硬度大幅度提高，這種熱處理過程稱之為時效。
全自動鋁合金淬火爐
在室溫下自然停放一定的時間，鋁合金強度及硬度提高的方法稱為自然時效。入為的將鋁合金制品在高于室溫下的某一溫度，保溫一定的時間，以提高鋁合金強度及硬度的方法稱入工時效。
對于Al-Mg-Si系的6063合金而言，自然時效進行得非常緩慢，在室溫下停留半個月，甚至更長的時間，也達不到較好的強化效果，比入工時效的強化效果要差30%～50%，所以一般都采用入工時效。含有主要強化相Mg2Si、MgZn和Al2Mg3Zn3的合金、都只有進行入工時效才能獲得較高的強度。
含有主要強化相CuAl2和S(A12CuMg)等相的合金，采用自然時效和入工時效兩種方法都可以。如2A11和2A12合金采用自然時效和入工時效都可以獲得較好強化效果。究竟采用哪種時效方法，這需要根據(jù)合金的本性和用途來決定。一般在高溫下工作的變形鋁合金多采用入工時效，而在室溫下工作的變形鋁合金宜采用自然時效。
時效強化機理
鋁合金的時效強化理論，有很多種說法。如彌散硬化理論、滑移干擾理論、溶質原子富集成強化或硬化區(qū)理論等。目前普遍認為時效強化或硬化是原子富集形成強化區(qū)的結果。經(jīng)實驗證實，用X射線方法對鋁合金過飽和固溶體分解動力學研究和通過電子顯微鏡對薄膜透射觀察，看到中間過渡析出階段(硬化區(qū))的數(shù)量、大小、形狀和分布特點，描繪了硬化區(qū)的形象，揭示了鋁合金時效硬化現(xiàn)象的實質。但時效硬化是一個非常復雜的問題，與合金的成分、時效工藝、生產(chǎn)過程中的加工狀態(tài)都有關系，目前對時效的認識還不十分徹底。下面僅介紹硬化區(qū)理論。
鋁合金在淬火加熱、快速冷卻時，形成過飽和固液體。過飽和固溶體有從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉變的趨勢。而在過飽和固溶體快速冷卻過程中，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原子的擴散速度，促使溶質原子的富集。這些溶質原子富集區(qū)，開始形成時是無序的，這種無序的富集區(qū)稱GPⅠ分區(qū)。隨著溫度的升高和時間的延長，這些富集起來的溶質原子，逐漸有次序的排列起來，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。當時效溫度繼續(xù)升高，或時間延長時，那些大于臨界尺寸的GPⅡ區(qū)發(fā)生長大，形成過渡相θ′(或β′)，θ′相的化學成分與穩(wěn)定相θ(CuAl2)相同，與母體保持有共格關系，有效阻礙了金屬晶體的變形，因而大大提高了金屬的強度。當溫度進一步升高或時間進一步延長時，過渡相θ′(或β′)變成了θ(CuAl2)相，這時的θ相完全脫離了母相，并有自己獨立的晶格。這時合金的強度已超過較大值，開始下降，稱為過時效。總之合金的時效過程是過飽和固溶體的分解脫溶過程，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)，形成過渡相θ′(或β′)，從而形成平衡相。
脫溶時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)兩種過渡相礦θ″及θ′而大部分合金只存在一種過渡亞穩(wěn)定相。
脫溶序列及平衡脫溶相
A1—Cu：GP區(qū)(盤狀) →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℃時效硬度和結構的變化情況。時效各階段順序并不是截然分開的，而是在前一階段尚未結束時，后一階段則已經(jīng)開始。同時也可以看出時效硬化的主要結構是GPⅠ區(qū)和GPⅡ區(qū)，時效硬度的高峰在GPⅡ區(qū)末期和過濾相θ′的初期。當大量出現(xiàn)平衡相θ時，軟化明顯，說明過時效發(fā)生。
6063鋁材料的入工時效工藝
6063合金的時效工藝比較成熟，一般選擇加熱保溫溫度為170～220℃，保溫l～8h。時效溫度低則保溫時間長，選擇較高的時效溫度，則保溫時間相應縮短。對于不同企業(yè)來說，時效爐的加熱方式、爐子的形狀、大小、溫差各不相同。因此選擇較好的時效工藝，建議通過實驗來確定。例如切取一批6063合金擠壓制品的時效試樣，按溫度不同分成若干組，在每一個溫度下，又分為不同的保溫時間，進行時效試驗。然后將試樣分別測定抗拉強度，不同溫度、不同保溫時間測得的抗拉強度值列于表3—5—6中。然后將表中數(shù)據(jù)繪成時效硬化曲線。
時效溫度為l80℃時，達到6063合金國家標準的抗拉強度的保溫時間要4小時以上；時效溫度為l90℃時，則需要2.5小時以上；時效溫度為200℃時，則只需要l小時就可以了。目前各個企業(yè)多數(shù)采用下面三個不同的時效工藝：
1)時效溫度180±5℃，保溫4～8 h；
2)時效溫度l90±5℃，保溫3～6 h；
3)時效溫度200±5℃，保溫l.5～3 h。
保溫時間的選擇應根據(jù)鋁型材的壁厚和裝料的緊密程度來決定。一般壁厚l.2 mm以下時取下限保溫時間，壁厚在5.0 mm以上取上限保溫時間。在其中間的壁厚選擇上、下限保溫時間的適當時間。如裝爐量少，裝料稀疏可以選偏下限的保溫時間；裝爐量多，且擺放致密應選偏上限的保溫時間。
時效溫度相差10℃，同一保溫時間下制品的強度相差較大，說明鋁合金的時效效果對溫度十分敏感，為保證制品性能的均勻性和穩(wěn)定性，對時效爐的溫差要求較嚴。一般應在±5℃的范圍內(nèi)，建議能控制在±3℃。
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