铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范,控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定得速度冷却,改变其合金的组织,其主要目的是提高合金的力学性能,增强耐腐蚀性能,改善加工型能,获得尺寸的稳定性。
铝合金热处理特点
众所周知,对于含碳量较高的钢,经淬火后立即获得很高的硬度,而塑性则很低。然而对铝合金并不然,铝合金刚淬火后,强度与硬度并不立即升高,至于塑性非但没有下降,反而有所上升。但这种淬火后的合金,放置一段时间(如4~6昼夜后),强度和硬度会显著提高,而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象,称为时效。时效可以在常温下发生,称自然时效,也可以在高于室温的某一温度范围(如100~200℃)内发生,称人工时效。
铝合金在淬火加热时,合金中形成了空位,在淬火时,由于冷却快,这些空位来不及移出,便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态,必然向平衡状态转变,空位的存在,加速了溶质原子的扩散速度,因而加速了溶质原子的偏聚。
硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高,空位浓度越大,硬化区的数量也就越多,硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大,固溶体内所固定的空位越多,有利于增加硬化区的数量,减小硬化区的尺寸。
沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度,即随温度增加固溶度增加,大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度-温度关系,可用铝铜系的Al-4Cu合金说明合金时效的组成和结构的变化。图3-1铝铜系富铝部分的二元相图,在548℃进行共晶转变L→α+θ(Al2Cu)。铜在α相中的极限溶解度5.65%(548℃),随着温度的下降,固溶度急剧减小,室温下约为0.05%。
合金化学成分的影响
一种合金能否通过时效强化,首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。如硅、锰在铝中的固溶度比较小,且随温度变化不大,而镁、锌虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度,但它们与铝形成的化合物的结构与基体差异不大,强化效果甚微。因此,二元铝-硅、铝-锰、铝-镁、铝-锌通常都不采用时效强化处理。而有些二元合金,如铝-铜合金,及三元合金或多元合金,如铝-镁-硅、铝-铜-镁-硅合金等,它们在热处理过程中有溶解度和固态相变,则可通过热处理进行强化。
合金的固溶处理工艺影响
为获得良好的时效强化效果,在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下,淬火加热温度高些,保温时间长些,
时效温度的影响
在不同温度时效时,析出相的临界晶核大小、数量、成分以及聚集长大的速度不同,若温度过低,由于扩散困难,G·P区不易形成,时效后强度、硬度低,当时效温度过高时,扩散易进行,过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大,时效后强度、硬度偏低,即产生过时效。因此,各种合金都有最适宜的时效温度。
铝合金的回归现象
经淬火自然时效后的铝合金(如铝-铜)重新加热到200~250℃,然后快冷到室温,则合金强度下降,重新变软,性能恢复到刚淬火状态;如在室温下放置,则与新淬火合金一样,仍能进行正常的自然时效,这种现象称为回归现象。关于回归现象的解释是合金在室温自然时效时,形成G·P区尺寸较小,加热到较高温度时,这些小的G·P区不再稳定而重新溶入固溶体中,此时将合金快冷到室温,则合金又恢复到新淬火状态,仍可重新自然时效。在理论上回归处理不受处理次数的限制,但实际上,回归处理时很难使析出相完全重溶,造成以后时效过程呈局部析出,使时效强化效果逐次减弱。同时在反复加热过程中,固溶体晶粒有越来越大的趋势,这对性能不利。因此回归处理仅用于修理飞机用的铆钉合金,即可利用这一现象,随时进行铆接,而对其他铝合金则没有使用价值。