金属热处理铝合金的热处理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,金属热处理,铝合金及其热处理,铝及铝合金概述,（）用量仅次于钢，地壳中储量第一；,（）铝的性能：力学、电学；,（）铝与航空工业；,（）人们一直在努力提高铝合金的性能，例如日本的超级铝项目，提高铝合金的纯度，使用变形热处理和粉末冶金工艺提高铝合金的性能，等等。,铝的电解生产技术,铝合金的消费量是仅次于钢铁的金属材料。门窗、铝灌、汽车，等等。,铝代替合金钢后，可减少,Cu,、,Cr,、,Ni,等元素的消耗。,铝生产的问题：耗能大，每吨铝耗能是钢的,4.5,倍；污染物排放大，如排放,CO,2,是钢的,7-9,倍。,加入,NaF,、,Al2F6,、,LiF,、,CaF2,、,MgF2,调节电解质温度，降低,900,以下，每降,100,，节电。,电解槽超大型化发展,阳极（石墨）,阴极（石墨）,熔盐,NaF Al,2,F,6,LiF CaF,2,MgF,2,电解铝示意图,CO,2,HF,C,铝电解烟气净化,阳极消耗，生成,CO,2,。电解槽中还经常挥发出气态氟化物（,HF,）。,目前常用的净化烟气的方法：干法净化，利用氧化铝吸附氟化物。但干法净化法无法吸收二氧化碳。,铝电解用新材料,（,1,）惰性阴极材料,传统电解槽的问题：铝液与炭块润湿性不好，不能有效接触，影响电流效率。在电解过程中实际上是铝液与炭块一起构成阴极。在电磁力的作用下，铝液不断波动，电能耗增加。,另外，冰晶石和铝液渗入炭块，使之膨胀破坏。,可润湿惰性阴极的优点,（,1,）新型槽的阴极上不需要厚的铝液层，磁场的作用几乎降到零，铝液面保持平整；,（,2,）极距大为降低；,（,3,）极距降低减少电能消耗，极距降低,1cm,，可节电,1000kWh/t(Al),；,（,4,）延长电解槽的使用寿命。,TiB,2,惰性阴极材料,目前认为，,TIB,2,是唯一在铝液中溶解度很小、导电率高、能被铝液润湿的材料。,可润湿阴极的优点：极距降低,1,厘米，可,节电,1000kwh/t(Al),。,硼化钛涂层及硼化钛复合材料阴极,（,1,）硼化钛涂层阴极,涂料成分：,TiB,2,30%60%,，炭素填料,18,40,，有机树脂,20,35,。,涂层工艺：,刷涂。,涂层效果：,涂层对铝液润湿性好，可阻挡电,解质对炭块的渗透，延长阴极使用寿命；降,低电阻率,50,，提高电流密度，降低能耗。,（,2,）硼化钛复合阴极,材料成分：,TiB,2,粉、炭素填料、粘结,剂。制备工艺：炭素块表面预先处理，,TiB,2,复合粉料置于炭素块表面，之后压,制成形，最后烧结。,使用效果：,阴极润湿性好，电耗降低,188kWh/t(Al),，电解槽寿命提高,2,年。,惰性阳极材料,惰性铝电解用阳极材料自上个世纪,50,年代开始研究，几经起伏，主要困难是没有合适的电极材料。,惰性阳极材料必须具备的性能：,（,1,）,1000,以上耐熔融氟化物的侵蚀；,（,2,）良好的导电性；,（,3,）良好的抗热振性。,惰性阳极材料的具体性能要求,（,1,）导电率大于现有炭阳极；,（,2,）腐蚀率小于,100mm/n,，寿命大于,5,年；,（,3,）铝质量等于或优于现有铝质量，不含,Be,、,Cr,等有害环境的元素。,使用惰性阳极的意义,（,1,）阳极无,CO,2,排出，只有,O,2,；,（,2,）阳极不消耗，无需更换，电解槽全密封；,（,3,）能耗下降,4,23,。,有希望的惰性阳极材料,金属氧化物陶瓷：,金属阳极表面,CeO,2,涂层,NiO-NiFe,2,O,4,+CuAg,铝的合金化,纯铝的强度低，通过添加合金元素提高铝的强度。,主要强化方法：固溶强化，沉淀强化。,Zn,、,Ag,、,Mg,在铝中的溶解度大于,10%,；,Zn,、,Ag,固溶效果差。,Cu,、,Li,、,Mn,、,Si,在铝中的溶解度大于,1%,；,Al-Mg,合金固溶强化效果好，防锈铝合金；,Al-Cu,耐热性好；,Al-Si,铸造性能好。,沉淀强化,获得明显沉淀强化效果的条件：,（）合金元素溶解度高，随温度变化明显；,（）析出相均匀、弥散，与基体之间形成共格或半共格的关系时强化效果明显。,典型的沉淀硬化铝合金,Al-Cu,合金是唯一获得明显沉淀强化效果条件的二元铝合金。,多数沉淀强化铝合金组元数都在三元以上，为的是形成新的强化相。,Al-Zn-Mg,，强化相：,MgZn,2,、,Al,2,Mg,3,Zn,3,Al-Mg-Si,，强化相：,Mg,2,Si,Al-Cu-Mg,，强化相：,CuAl,2,、,Al,2,CuMg,铝合金的细晶强化,细化晶粒、细化亚结构能使铝合金的强度提高约,1030%,。,为了使制品在热处理后保留未再结晶的纤维状组织，通常加入少量过渡族元素（,Mn,、,Cr,、,Zr,、,Ti,）提高再结晶温度,。,晶粒直径为微米级的细晶铝合金可产生超塑性。例如，伸长,200%,不发生晶粒长大。,铝合金的热处理原理,铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效。,退火的主要目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性。,时效的目的主要是提高铝合金的强度。,Al-Cu,合金的时效,Al-Cu,合金放入干冰（,-78,）中固溶处理，抗拉强度为,200MPa,左右，长期在干冰中存放，性能无变化。,从干冰中取出在室温存放，小时后开始硬化，放置天硬度达到最大值。,50,存放，天后硬度达到最大值。,自然时效与人工时效的概念,自然时效：,将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于,100,温度的环境下，由于停留时间的增加硬度和强度增高的现象，称为自然时效。,人工时效：,100,以上温度造成的时效称为人工时效。,Al-Cu,合金的时效过程,（）,GP,区的形成,为什么先形成,GP,区？,GP,区无独立的晶体结构，与母相完全共格，在与,GP,区垂直的晶向上产生弹性收缩。,GP,区厚：几个原子。,直径：,10nm,。,GP,区间距：,2-4nm,。,AlCu,2,5.65%,Al-Cu,合金相图,GP,区模型，,Cu,原子在,Al,的,100,面上偏聚,（）,生成,时效温度升高，,GP,区直径急剧长大。,Cu,、,Al,原子逐渐形成规则排列，形成正方有序结构。,a=b=4.04,（,Al,：,4.05,）。,c,轴,7.68,，比,Al,晶格常数的倍（,8.08,）略小，,c,轴产生,4%,的错配度，晶格畸变增大，强度升高。,（）,的生成,20012,小时时效，生成,。正方点阵,a=b=4.04,，,c,轴,5.80,，名义成分,CuAl,2,，与基体局部失去共格，应力场减小。合金硬度、强度下降，开始进入过时效阶段。,Al-Cu,合金中,、,及,相的晶体结构,（）,相生成,进一步提高温度和延长时效时间，,转变成,（,CuAl,2,）。,相属于体心正方点阵，与基体失去共格关系，合金强度和硬度明显降低。,过饱和,GP,区,过渡相,过渡相,（,CuAl,2,）,有时上面几相可能同时存在。,铸造铝合金,铝合金是最重要的工业结构材料之一，铸造铝硅合金是在航空航天、机械、电子等工业中大量应用的重要结构材料，凝固组织特别是共晶硅的生长形态对其性能具有决定性影响，凝固过程控制、细化凝固组织、改变共晶组织生长形态，是控制铸造铝硅合金性能的重要措施。,主要的铸造铝合金,（）,Al-Si,、,Al-Si-Mg,系，强度中等，常温使用，适合铸造复杂形状零件，常用。,（）,Al-Cu,，热强性好，工作温度高，铸造工艺性好，抗腐蚀性较低。,（）,Al-Mg,，强度高，切削性能好，耐蚀性、铸造性较差。,（）,Al-Re,，耐热性好，铸造工艺性好，室温强度低。,（）,Al-Zn,，有自淬火性，可直接自然时效。比重大，耐热性较差。,Al-Mg,二元合金相图,铸造铝合金的编号,铸造铝合金采用“铸铝”二字汉语拼音字头,ZL,表示，其后有三个数字，第一个代表合金系，其余为合金顺序号。,例如：,ZL102,，表示,Al-Si,系第一号铸铝。,Al-Si,系合金的牌号及主要成分,合金牌号,主要成分，,%,Si,Mg,Mn,Cu,Al,ZL-101,6.08.0,0.20.4,_,_,余量,ZL-102,10.013.0,_,_,_,余量,ZL-103,4.55.5,0.350.6,0.60.9,1.53.0,余量,ZL-104,8.010.5,0.170.3,0.20.5,_,余量,ZL-105,4.55.5,0.350.6,_,1.01.5,余量,Al-Si,合金相图,Al-Si,系合金的铸造及其,变质处理,Al-Si,二元合金共晶体中，硅呈粗大针状，严重影响合金的性能，不能作为工业合金使用。直至,1921,年发现了变质处理方法，改变了硅的形状，提高了合金的性能，,Al-Si,合金才得到广泛应用。一般硅大于,6%,的铸造铝合金都要求在合金精炼后进行变质处理。,未变质的,(a),和变质处理后的,(b)Al-12%Si,合金组织,500,(a),(b),常用变质剂及变质处理方法,二元变质剂：,2/3NaF+1/3NaCl,三元变质剂,:25%NaF+62%NaCl+13%KCl,变质处理的方法是：将预热过的变质剂撒入合金液面上，保持,1012,分钟至变质剂熔化。此时应不断地打碎硬壳使气体排除，并将碎硬壳压入合金液面下约,100150,毫米，时间约,35,分钟。,变质处理的机理,关于变质机理，目前尚无完全统一解释，比较流行的是吸附理论：硅在铝内的晶体具有大量孪晶，硅晶体是以孪晶的方向生长的，最后形成粗大的针状形态。加钠以后，形成大量（,NaAl,）,Si2,的结晶核心与铝形成共晶，使共晶成分产生偏移。同时，钠破坏了孪晶的角度，使硅的晶体不易生长，此外，硅晶体与铝的界面上也分布有钠，阻碍了硅的生长，因而硅以球状的方式长大。,Al-Si,合金的热处理：,虽然硅在,固溶体中随温度下降有明显的固溶度变化，但,ZL-102,合金热处理强化效果不大。这是因为硅的沉淀和集聚速度很快，甚至在淬火过程中都可能发生固溶体的分解，析出硅质点，而不形成共格或半共格的过渡相。因此生产上,ZL-102,合金一般只进行退火：,30010,，保温,2-4,小时空冷或随炉冷却。其典型性能为：,b=160Mpa,，,0.2=90MPa,，,=5.0%,，,HB=50,。,除了,ZL-102,，其它牌号的铝合金在使用前一般都需进行淬火和时效处理，淬火温度一般在,515-535,保温时间,2-6,小时，淬火冷却介质为,20-100,的水。时效处理加热温度一般为,150-300,，加热时间为,2-5,小时，一般采用空冷。,合金牌号,热处理,状态,淬火,时效（回火）,加热温度,保温时间,小时,冷却介质及温度,加热温度,保温时间,小时,冷却介质,ZL101,T2,_,_,_,30010,2-4,空冷,/,炉冷,T4,5355,2-6,20-100,，水,-,-,-,T5,5355,2-6,20-100,，水,1505,2-4,空冷,T6,5355,2-6,20-100,，水,2005,3-5,空冷,T7,5355,2-6,80-100,，水,2255,3-5,空冷,T8,5355,2-6,80-100,，水,2505,3-5,空冷,ZL-102,T2,-,-,-,30010,2-4,空冷,/,炉冷,ZL-103,T1,-,-,-,1755,3-5,空冷,T2,-,-,-,30010,2-4,空冷,T5,5155,3-6,20-100,，水,1755,3-5,空冷,T7,5155,3-6,20-100,，水,23010,3-5,空冷,T8,5155,3-6,20-100,，水,33010,3-5,空冷,ZL-104,T1,-,-,-,1755,5-10,空冷,T6,5355,3-5,20-100,，水,1755,5-10,空冷,ZL-105,T1,5255,3-5,20-100,，水,1805,5-10,空冷,T5,5255,3-5,20-100,，水,1805,5-10,空冷,T