各种铝合金的热处理特性 74.docx

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各种铝合金的热处理特性74

各种铝合金的热处理特性74—4

一、序言

　　所谓热处理一般是包括非常广泛范围的操作，例如：

在金属手册里从热处理术语解说来看，热处理是“为了对固体金属或合金给予所要求的特性所进行的加热操作和冷却操作，而为了热加工的加热除外”。

然而铝合金的热处理一般则意味着固溶热处理、淬火及时效硬化处理的周期，按照这种操作是否存在有效性，而把合金分为可热处理合金和不可热处理合金。

本文把热处理限定在狭义的范围内来介绍可热处理合金的特性。

并且，铝合金包括有变形材料和铸件，但是对合金热处理特性来说两者之间没有非常大的差别，因此这里愿意采用变形材料。

二、不可热处理合金和可热处理合金

　　在铝合金方面为了适应各种用途发展了很多种，这些种铝合金据根铝中添加的主要元素在JIS中以四位数字分成九个系。

但是从另一方面据根合金的热处理特性，又把上述的合金分成不可热处理合金和可热处理合金。

表Ⅰ中示出不可热处理合金和可热处理合金的各种性质的比较。

　　为了调节不可热处理合金的强度可进行冷加工或退火。

即对软状态的材料施加冷加工，伴随着加工硬化的进行强度增加，延伸率下降；而与此相反，当硬状态合金材料在各种温度下退火时随着温度升高强度下降，延伸率增加。

因此用选择适合各种合金的冷变形率的方法和在适当温度下退火的方法可获得满足标准的强度。

并且为了获得中间强度退火温度按各种合金而不同，此外加工前后也不同。

另外，Al-Mg系合金加工硬化后在常温下放置时抗张强度变化不大，而屈服点稍稍下降，延伸率有所提高。

而在低温下加热时这种变化进行得迅速。

把这种变化称为稳定化处理。

　　对可热处理合金来说由于铝合金中没有相变，所以Cu，Zn，Mg或Si等添加元素的析出硬化作用使其获得强度。

因此合金在高温下加热时硬化成分充分地熔化在基体中，形成单一固溶体（称固溶热处理），但是必须严格按照指定的温度，如果超过其允许的最高温度，则合金中的共晶部分开始熔化，不仅材料的机械性能下降，而且其表面状态也变为不良。

当还没有达到允许的最低温度时机械性能也同样不能满足标准，并且抗腐性也变为不良。

在加热后使合金急剧冷却（称为淬火），冷却速度对材料强度及抗腐性等也有影响，因此希望冷却速度尽可能快。

　　由于在常温下添加元素的溶解度低，因此在淬火的状态下合金中的固溶体处在过饱和状态，其程度按合金种类及时效温度而不同，但是从这种状态开始硬化的主要元素具有析出倾向。

在常温下放置时发生硬化的现象称为自然时效（T4），而在高温下放置时发生硬化的现象称为人工时效（T6）。

表2中列出JIS中规定的铝合金种类、可热处理合金与不可热处理合金的区别及这些合金的制造形状；表3中列出可热处理合金的热处理标准的概要和状态；表4列出可热处理合金的调质和状态标号。

关于热处理的详细情况，除了表1所记载的（各JIS标准中以合金类别和形状种类记载的）之外，特别对航空用的铝合金来说在JIS1103（1969）中还详细地规定了热处理的方法，关于这些情况本杂志另作介绍，因而在本文省略，此外，对可热处理合金的热处理特性加以说明。

　　注：

-没有规定的合金，0规定的合金。

三、Al-Cu（2000）系合金

　　在此系合金中简单地记载了JIS中规定的合金的特点。

　　2011：

由于添加比较多量的Cu和少量Pb，Bi，因此强度是中等的，而切削性非常好。

但是由于Cu的作用抗腐性不良。

　　2014：

添加Cu、Si、Mn及Mg等元素，是回火性充分的合金，成型性比较好，硬度及屈服点大，而抗腐性不大好。

　　2017：

所谓杜拉铝合金，含有适当量的Cu，Mn、Mg等，用常温时效方法能获得强度，而抗腐性不大好。

　　2018：

是从2218中减少Mg含量而加工性良好的合金，具有与2218相同的特性。

2218：

是成分与2014相似的合金，但是再添加2%Ni可获得耐热性。

　　2024：

是从杜拉铝合金中把Mg含量降到大约1.5%的合金，叫做超杜拉铝合金，因此也是常温时效性比2017还大，强度也更高并且延性也不低的优良合金。

　　2025：

相当于从2024中去掉Mg的合金。

是具有充分回火效果、强度相当于2017的锻造合金。

热处理变形小。

　　2N01：

是加入了Cu，Si，Fe，Ni及Mg的加工性良好的锻造耐热合金。

　　在Al-Cu系合金中Cu含量越多，强度就越大。

为了改善常温时效性添加Mg和Si。

固溶热处理温度尽可能高，如图1中看出那样，对提高强度有效。

但是温度过高，共晶就溶解，而产生气泡，强度也下降。

此外，2024合金为了提高抗腐性采用纯铝作包复材料制成合成板，但是如果Cu很多扩散到包复材料里，这样防腐的效果就下降，因此必须注意在固溶热处理过程中芯材料的Cu尽量少往包复材料扩散。

固溶热处理时间越短越好，但是过于短，固溶化就不充分，强度就下降。

淬火速度对合金的特性有很大的影响。

图2示出2024-T4板材的淬火速度对强度和抗腐性的影响，可了解到淬火速度越快对任何特性都是令人满意的。

　　图1　固溶热处理温度对2017-T4板材强度的影响

　　图2　2024-T4板材淬火速度对强度及抗腐性的影响

　　当淬火时成问题的另一种情况是发生变形。

为了减少淬火变形也采用喷雾淬火或在温水中淬火，而在这种情况下很难获得良好的抗腐性。

对于淬火应力的消除或减少的方法进行过各种试验，在加热的情况下正常的析出处理温度过低，而在能充分消除应力的高温下加热时强度就下降。

与此不同的应力消除法是低温法。

这种方法是把被处理材料在室温左右给予热循环作为消除应力的方法，例如有的报告也提出：

2014-T6材料的最初残余应力为17公斤/毫米2，首先在-195℃冷却后随之用蒸气吹，此时残余应力减少到3公斤/毫米2。

另外，淬火变形可用冷加工的方法进行矫正，但是析出硬化在这种场合下受到影响。

2011淬火后经过冷加工以T3或T8状态在市场出售，2011的冷加工与析出速度的关系示于图3。

这是2011从540℃开始淬火以后以25%以内的不同轧制率进行冷轧，在130-210℃下经过时效达到最高硬度时的时间与冷轧制率的函数关系，冷轧能显著地促进时效硬化的速度，以25%轧制率冷轧时与无加工的相比在时间上缩短一位数就达到最高硬度。

但是变形率高于某些程度以上时随变形率增加硬化速度也没有那么大，并且这种场合的冷变形率对最高硬度没有多大影响。

此2011合金被认为是快速切削铝合金，而其切削性不仅按照切削条件而且也按照材料的处理状态而敏感地发生变化，按T4、T3、T8、T6的顺序为佳。

　　图3　冷轧制率对2011合金析出速度的影响

　　2024在常温下放置3-5日发生硬化，而在更低的温度下时效时间也要增大。

人工时效时与常温相比强度及延伸率都增加。

图4示出2024合金析出处理时间对强度及抗腐性影响的结果，而在屈服点达到最高时的温度和时间内容易引起晶间腐蚀，因此为了适应需求目的就必须很好地研究析出处理的条件。

　　图4　2024析出处理时间对强度和抗腐性的影响

四、Al-Mg-Si（6000）系合金

　　关于在JIS中规定的属于此系合金的特性简单介绍如下：

　　6063：

是在一般铝中添加少量的Mg和Si的合金，挤压加工性良好。

由于此种合金中不含有Cu，因此强度稍低，而抗腐性良好。

　　6061：

Mg和Si比6063添加得更多，也添加少量的Cu和Cr，使其强度增加。

在可热处理合金中是冷加工性良好的并且焊接也容易的合金。

　　6151：

是和6061同一系合金，但是把Mg和Si的配合比颠倒过来，进一步提高强度，用热处理方法也可获得比2027，2025更高的屈服点。

由于又添加少量的Cr，因此抗腐性也良好，锻造性更优越。

　　Al-Mg-Si系合金进行固熔热处理，当回火时由于Mg2Si的析出而进行硬化，硬化的程度随着Mg2Si的浓度的增加而增加，而其他延伸率及弯曲加工性不良。

添加大约0.3%以内的Mg就可使强度增加，但是其量多时就与Si结合，从而减少了形成硬化主要因素的Mg2Si需要的Si量，因此析出硬化能下降。

　　当Al-Mg-Si系合金中添加Cu时不仅在软状态材料而且在可热处理材料中强度也增加，但是使抗腐性下降，因此如后面所述对其量要限制。

Cu对抗腐性不良的影响可用添加Mn和Cr的方法减轻。

特别Cr和Mn对晶间腐蚀的防止同时起着有效的作用。

如果观察T6处理材料的显微组织就可看到没有加入Mn和Cr的合金中晶界的析出物，对添加Mn和Cr的合金几乎没有看出。

　　Si含量过剩的合金在520℃以下淬火时强度低，当超过560℃时引起局部熔化，因此通常从520～540℃开始淬火。

Mg过剩的合金缓慢冷却或空气淬火人工时效后没有发现强度显著降低，因此可减少淬火变形的发生并且具有省略矫直的优点。

对6063合金来说挤压温度在500℃以上时，用挤压前的加热进行Mg2Si的固溶热处理，然后在挤压后于空气中冷却，对普通的挤压材料可得到充分淬火。

淬火的程度据根挤压材料的形状，尺寸及冷却状态而不同，但是对6063合金来说变化挤压温度，6T处理的材料的机械性能没有多大变化，而T5处理的材料具有挤压温度越高，强度就越大的倾向。

　　从淬火后到人工时效为止的时间如果长，强度就降低，因此为了获得最高强度淬火持续的时间要尽量缩短，或者淬火后马上进行短时间人工时效，形成稳定状态。

即淬火后在50℃下加热5分钟，然后材料在常温下长时间放置，再用人工时效的方法也能获得最高强度。

图5示出了6063合金从520℃淬火然后在177℃下7小时人工时效前的放置时间对机械性能的影响，而从图看出，当放置1～2日机械性能就稳定下来，在淬火后直接人工时效和稳定的场合下强度差为数公斤/毫米2（所谓SqritAging）。

另外各种合金的时效特性示于图6-9。

图6是一毫米厚的6061板材从520℃水淬火后求得的常温时效的特性，而最初大约两天的硬度变化显著，过两天后硬化缓慢。

图7示出了6063合金经过固溶热处理后的常温时效特性，在图7中绘出与图6相同的过程进行硬化。

图8示出了6063合金人工时效的特性。

此外，图9是对厚为1毫米的6151合金板从520℃水淬火的热处理特性研究的结果。

　　图5　6063合金从520℃淬火到人工时效前放置的时间对机械性能的影响（人工时效温度177℃）

　　图6　6061合金的常温时效特性板厚

　　1：

毫米；淬火温度：

520℃

　　图7　6063合金的常温时效特性

　　图8　6063管材的人工时效时间对机械性能的影响

　　图9　厚为1毫米的6151合金板在520℃下的热处理特性

　　6061合金由于加工性良好，因此可用各种方法进行成型加工，但是在那种场合下加工往往出现晶粒成长最大的柑皮状表面的现象。

O状态材料经过加工后在固溶热处理的场合下用6～7%的加工率时晶粒急剧增大。

　　Al-Mg-Si系合金的抗腐性一般良好，这种情况已经介绍了，但是抗腐性和热处理的关系是按T4，H，O，T6的顺序变坏，因此其含量要限制在0.5%以内。

五、Al-Zn-Mg（-Cu）（7000）系合金

　　此系合金在JIS中规定如下：

　　7N01：

是在铝中添加Zn和Mg的合金，与其他合金相比焊接强度好特别是屈服强度高，焊接性、抗腐性及热加工性良好。

　　7075：

是Al-Zn-Mg-Cu系合金也称为超杜拉铝合金，也是强度非常高的合金，但是在不良的条件下具有应力腐蚀的危险。

　　从Al-Zn-Mg系合金的热处理来看，列举有以下的特点：

（1）固溶热处理温度低；

（2）固溶热处理时间短；

　　（3）淬特性良好；

　　（4）常温时效性良好。

　　对大部分可热处理合金来说为了获得最好强度固溶热处理在相对的狭小温度范围内进行，但是本系合金不必要那样处理，如图10所示在350℃下进行充分的固溶即可。

可是一般的固溶热处理在400～480℃下进行0.5～1.0小时。

另外在本系实用合金成分范围之内由于固相线在580以上，因此在高温下进行固溶热处理也没有过烧的危险，但是如后面所述那样，由于抗应力腐蚀性下降，因而不是所希望的。

此外，本系合金的固溶热处理温度比2000成6000系合金的低，固溶范围广，并且溶解度曲线变缓慢，从而在引起析出的浓度范围的扩散也迟缓，所以固溶热处理后以200℃/小时的速度缓慢冷却也能充分淬火。

表5列出了7NOl的淬火特性。

淬火的敏感性按照组织而不同，在添加的金属中Zn几乎没有影响，而Mg增多时变为敏感，因此对挤压材料来说挤压加工性也要考虑进去，Mg含量要低。

　　图10　7№1固溶热处理温度与机械性能的关系

　　Al-Zn-Mg系合金的高强度在350～500℃下固溶热处理后可用常温时效或人工时效的方法获得。

然而对挤压材料来说，在挤压后中等厚度的挤压材料在空气中淬火，而厚的挤压件可用水淬火。

常温时效相当缓慢地进行，1年后还没有结束，而在图11中可看出，用1个月的时间可达大约90%。

因此以常温时效1个月后的机械性能作为标准，在JIS中此值是作为参考值记载的，如果在一个月的常温时效前进行试验的场合下在固溶热处理之后进行了时效处理，则认为T6的性能具有保证，T4为合格。

这样，时间需要做到常温时效结束为止，并且存在时效中间加工性不稳定的问题，因此为了缩短常温时效时间也有这样方法：

首先在70～100℃下然后在120～160℃下加热进行二阶段时效，用此方法可使第二相良好地析出，抗应力腐蚀性也被改善。

人工时效如图12所示，时效温度越高，最高强度就越低，达到最高强度的时间变短。

在工业上一般在120～130℃下处理24～48小时。

　　图11　7NO1合金淬火后的常温时效固溶热处理：

450℃，0.5小时时效温度：

25～35℃

　　图12　7NO1合金的人工时效曲线

　　X-X回火温度：

120℃

　　·-·回火温度：

150℃

　　固溶热处理：

450℃，0.5小时

　　此系合金在350℃以上退火，在常温下放置自然硬化，所以像许多其他合金那样用简单的热处理不能达到退火的目的。

完全退火是在350～400℃下再加热5～10小时，退火后在240～260℃下再加热5～10小时，并以25℃/小时的冷却速度冷却到250℃，在250℃下保持3小时以上然后用空气冷却。

　　关于热处理对Al-Zn-Mg系合金抗腐蚀的影响认为，当固溶热处理温度高，冷却速度大时对应力腐蚀裂纹的敏感性增大，同时易产生点状腐蚀。

当冷却速度小时对应力腐蚀的敏感性减小，但是易产生成层腐蚀。

常温时效的比人工时效的容易产生成层腐蚀，并且在固溶热处理温度过低时也产生。

在高温下经过固溶热处理之后用水冷却，在常温下经过时效的材料用剪切机切断并进行冲孔加工，在大气中放置，由于在剪切面上产生很大的残余应力，从而发生裂纹。

为了改善应力腐蚀性可考虑缓慢冷却淬火的热处理方法和造成接近于过时效初期的时效状态的热处理方法，两者单独地或组合起来使用。

　　当利用7NO1构成结构件时由于机械加工和焊接加工产生了变形，在200～300℃下加热可消除这种变形，但是这引起过时效，因而在此温度范围内避免长时间加热（在10分钟以内），矫直处理后浇水快速冷却到150℃，或者在处理上如果需要更长的时间，则在150℃以下进行处理。

　　在Al-Zn-Mg系合金中添加Cu，则强度变得相当高。

在此系合金中Zn为5.5～8%，Mg一2～3%，Cu-0.5～2%，为了与Al-Zn-Mg系合金相同地改善应力腐蚀性和提高强度，再添加少量的Cr。

在添加金属之中Zn和Mg形成硬化要素，随其浓度增加而强度也增加。

Cu使强度增加的同时又改善抗应力腐蚀性，并具有促进100～200℃之间的人工时效的效果。

Mn也能改善抗腐性，但是随其量增大，加工性变坏，并出现不溶解的并列纤维组织。

　　为了获得高强度本合金的热处理与其他可热处理合金相同是由在高温下的固溶热处理，淬火及析出处理的周期所组成，而最适当的固溶热处理是在450～470℃下加热。

淬火速度从强度和抗腐性来看最好尽可能快，因而板材、型材等用水淬火，锻件为了防止淬火弯曲采用温水淬火。

图13示出淬火速度对7075合金强度的影响。

　　从图13中看出，必须在大约315℃/秒以上的冷却速度可获得最高强度，并且为了获得良好的抗腐性一定不要在205℃/秒以下。

此值大约为Al-Zn-Mg系合金淬火速度的2倍。

此外高强度可用淬火后直接人工时效的方法获得。

变形材料的最长淬火转移时间也按照温度、被处理材料的数量而不同，在JISW1103-1969中记载为5～10秒钟。

　　图13　淬火速度对7075～T6强度的影响。

　　强度随人工时效温度增高而下降，其值当超过140℃时显著下降，因此对7075合金通常在120℃下进行24小时时效。

为了缩短时效的时间，在100℃下时效4小时后再在155℃下时效8小时。

此合金也具有常温时效性，但是在这种场合下1年之后时效还没有结束。

　　本系合金当退火时也与Al-Zn-Mg系相同，这一点必须注意。

由于在此系合金中加入Cr，所以在比其他合金更高的温度下进行再结晶，而在这样的高温下某些量的合金元素进行固溶，在空气冷却过程中析出，因此为使最大软化时在400～440℃下再结晶加热过程中一定析出，要以5～10℃/小时的冷却速度在炉中冷却或再结晶加热后在240～260℃下在炉中进行4～6小时的稳定化处理。

　　应力腐蚀的敏感性是选定热处理方法时必须适当考虑的重要因素之一。

对7075合金来说，如果淬火后冷却速度缓慢，则在晶界上第2相析出增多，对应力腐蚀的抗腐性浠怠l-Zn-Mg-Cu系合金在人工时效状态下对应力腐蚀的敏感性比Al-Zn-Mg系的还小，而用所谓T-73二阶段处理方法可更加改善。

此处理是：

在107℃下加热8小时然后：

（1）对板材在163℃下加热20～30小时；

（2）对拉伸材料在177℃下加热8～10小时；

　　（3）对挤压材料在177℃下加热6～8小时；

　　（4）对锻件在177℃下加热8～10小时。

　　采用这种T-73处理方法材料稍成为过时效状态，对应力腐蚀的不敏感性增加，而在其他疲劳强度方面没有变化，强度比用T6处理方法大约还低15%。

此外，用这种二阶段时效方法也能防止成层腐蚀。

　　高革　译自　日本“Al”1971，7月付刊，

　　高云震　校