铝合金热处理优化方法

退火及淬火时效是铝合金的基本热处理形式。退火是一种软化处理。其目的是使合金在成分及组织上趋于均匀和稳定，消除加工硬化，恢复合金的塑性。淬火时效则属强化热处理，目的是提高合金的强度，主要应用于可热处理强化的铝合金。

1）退火

根据生产需求的不同，铝合金退火分均匀化退火、再结晶退火及低温退火几种形式。

（1）均匀化退火

铸锭在快速冷凝及非平衡结晶条件，必然存在成分及组织上的不均匀，同时也存在很大的内应力。为了改变这种状况，提高铸锭的热加工工艺性，一般需进行均匀化退火。为促使原子扩散，均匀化退火应选择较高的退火温度，但不得超过合金中低熔点共晶熔点，一般均匀化退火温度低于该熔点5～40℃，退火时间多在12～24h之间。

（2）再结晶退火

使铝合金制品在再结晶温度以上保温一段时间后空冷，获得完全再结晶组织和良好的塑性的退火工艺。再结晶退火在保证材料获得良好的组织及性能条件下，保温时间不宜过长。对于可热处理强化的铝合金，为防止产生空冷淬火效应，应严格控制其冷却速度。

（3）低温退火

低温退火包括消除内应力退火和部分软化退火两种，主要用于纯铝和非热处理强化铝合金。制定低温退火制度是一项很复杂的工作，不仅要考虑退火温度和保温时间，而且要考虑杂质、合金化程度、冷变形量、中间退火温度和热变形温度的影响。

2）淬火

铝合金的淬火也称固溶处理，即通过高温加热，使金属中以第二相形式存在的合金元素尽可能多地溶入固溶体，随后快速冷却，以抑制第二相的析出，从而获得一种过饱和的以铝为基的α固溶体，为下一步时效处理做好组织上的准备。

获取过饱和α固溶体的前提是合金中的第二相在铝中的溶解度应随温度的增加而明显提高，否则，就达不到固溶处理的目的。铝中绝大多数合金元素能够构成具有这一特点的共晶型相图。以Al－Cu合金为例，共晶温度为548℃，铜在铝中的室温溶解度不足0．1%，加热到548℃，其溶解度则提高到5．6%，因此，含铜在5．6%以下的Al－Cu合金，加热温度超过其固溶线以后，进入α单相区，即第二相CuAl2全部溶入基体，淬火后就可获得单一的过饱和α固溶体。表6－2是主要合金元素在铝中的极限溶解度。

表6－2　主要合金元素在铝中的极限溶解度（质量分数／%）

淬火是铝合金的最重要和要求最严格的热处理操作，其中关键的是选择恰当的淬火加热温度和保证足够的淬火冷却速度，并能严格控制炉温和减少淬火变形。(www.xing528.com)

（1）淬火温度

淬火温度的选定原则是在确保铝合金不发生过烧或晶粒过分长大的情况下尽可能地提高淬火加热温度，以增加α固溶体的过饱和度及时效处理后的强度。一般铝合金加热炉要求炉温控制精度在±3℃以内，同时炉内空气是强制循环的，以保证炉温的均匀性。

铝合金的过烧是由于金属内部低熔点组成物，如二元或多元共晶体发生局部熔化造成的。过烧不仅造成机械性能的降低，同时对合金的抗蚀性也有严重影响。因此，铝合金一旦发生过烧，将无法消除，合金制品应给予报废。铝合金的实际过烧温度主要决定于合金成分、杂质含量，同时与合金加工状态也有关系，经过塑性变形加工的制品其过烧温度高于铸件，变形加工量愈大，非平衡低熔点组成物在加热时愈容易溶入基体，故实际过烧温度升高。

（2）淬火冷却速度

铝合金淬火时的冷却速度对合金的时效强化能力及抗蚀性有重大影响，2A12和7A04淬火过程中必须确保α固溶体不发生分解，特别在290～420℃的温度敏感区，要有足够大的冷却速度。通常规定冷却速度应在50℃／s以上，而7A04合金，则应达到和超过170℃／s。

（3）淬火介质

铝合金最常用的淬火介质是水。生产实践表明，淬火时的冷却速度愈大，淬火材料或工件的残余应力和残余变形也愈大。因此，对于形状简单的小型工件，水温可稍低，一般为10～30℃，不应超过40℃。对于形状复杂、壁厚差别较大的工件，为减少淬火变形及开裂，有时水温可提高到80℃。但必须指出，随着淬火槽水温的升高，一般说来，材料的强度和耐蚀性也相应降低。

3）时效

时效处理是将固溶处理后的铝合金在室温或低温加热下保温一定时间，随时间的延长，其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象。室温下进行的时效称为自然时效，低温加热下进行的时效称为人工时效。

时效强化效果与加热温度和保温时间有关。温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，称为过时效。随时效温度提高，峰值强度将下降，出现峰值的时间将提前。以Al-4%Cu合金为例，该合金的时效基本过程可以概括为：合金淬火→过饱和α固溶体→形成铜原子富集区（GPⅠ区）→铜原子富集区有序化（GPⅡ区）→形成过渡相θ′→析出平衡相θ（CuAl2）＋平衡的α固溶体。

图6－5　Al－4%Cu合金的时效硬化曲线

铝合金的强化机理与钢不同，钢主要是由于钢的同素异型转变来强化，铝合金主要是依靠时效过程中时效相的析出（沉淀强化）来进行的。时效的实质是第二相从过饱和固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（α相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化，这种强化称为沉淀强化。

时效硬化是发展可热处理强化铝合金的基础，其时效硬化能力与合金成分及热处理制度有直接关系。Al－Si及Al－Mn二元合金，因时效过程中直接析出平衡相，故无沉淀硬化作用，属不可热处理强化铝合金，Al－Mg系合金虽可形成GP区及过渡相β′，但只有在高镁合金中才有一定的沉淀硬化能力。Al－Cu、Al－Cu－Mg、Al－Mg－Si及Al－Zn－Mg－Cu系合金，其GP区及过渡相有较强的沉淀硬化能力，是目前的主要可热处理强化的合金系。