淺談鋁合金材料及其熱處理技術

豆 杰，劉紀偉

（商丘陽光鋁材有限公司，河南 商丘 476000）

鋁元素在地殼中含量豐富，但由于鋁元素的形態不穩定極易被氧化和與其他元素相結合，通常以氧化鋁及其化合物的形式存在。隨著我國有色金屬工業的快速發展并形成了完整的工業體系，對鋁礦石進行大量的開采、冶煉和加工，目前我國鋁的冶煉能力在330萬噸以上，鋁材加工能力在335萬噸以上。由于鋁合金材料質量輕、密度小、熔點低，導電導熱性、抗腐蝕性和可塑性能好以及適用范圍廣、耐久性強、裝飾效果好，具有更好的物理性能和機械性能，能夠利用沖壓、彎曲、軋、擠壓等工藝和經過熔融法制錠、塑性變形加工，使其組織、形狀發生變化后形成不同的形態和規格和以熔融金屬充填鑄型的方法，獲得各種規格形狀的零件毛坯，鋁合金可以做出各種形狀的成品，因此，受到人們的廣泛關注和利用。對于形變鋁合金可以利用退火、固溶淬火、時效和回歸熱處理技術，經過加溫、保溫、冷卻及淬火、回歸等改變鋁合金的內部組織，提高鋁合金的機械性能和物理性能，改善其可塑性，從而使其應用更加廣泛。目前被應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業等重要領域，是發展我國現代工業、現代國防和現代科學技術不可缺少的重要材料，為我國社會經濟的騰飛和工業經濟的飛速發展做出了重要的貢獻。

1 鋁合金的發展

鋁元素在地殼中含量豐富僅次于氧和硅，由于鋁元素的形態不穩定極易被氧化和與其他元素相結合，因此鋁是以氧化鋁及其化合物的形式存在于自然界中，必須經過化學反應才能得到金屬鋁。1808年金屬鋁首次在實驗室被電解還原出來，后期經過科學家們的不斷試驗，不斷改進制取方法，終于在1854年被德國化學家德維爾從氯化鋁中還原制得鋁錠，由于其提取難度較大被人們視為珍寶。直到19世紀后期廉價電力的出現和科學家改進了提取方法，使得鋁的生產規模逐步擴大并在其中加入各種金屬元素合成了鋁合金材料。隨著鋁合金材料的優點逐漸凸顯以及人們對它的研究不斷深入，更多的鋁合金產品被發現，比如，鋁合金1050、2017合金、2024合金、6061合金、6063合金、7075合金以及A356鑄造鋁合金等，并廣泛應用在電力、航空、軍事、科技等方面，成為全球機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業等領域的重要原料。

2 鋁合金的特性

純鋁的密度小，接近2.7g約為鐵或銅的1/3；導電導熱性好，僅次于銀、銅和金；抗腐蝕性能好，鋁的表面易生成一層AL2O3保護膜，能很好的保護基體不受腐蝕。鋁合金除保持了純鋁的上述特點以及質量輕、熔點低、可塑性好的特性外，經過熱處理強化后強度變得比較高，其σb值可達24kgf/mm2～60kgf/mm2，比強度接近甚至于超過優質鋼，而且成品適用范圍廣、耐久性強、裝飾效果好，具有更好的物理性能和機械性能。其物理性能如表1。

表1 鋁合金的物理性能

其機械性能如表2

表2 鋁合金的機械性能

3 鋁合金的分類

鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。形變鋁合金是利用沖壓、彎曲、軋、擠壓等工藝和經過熔融法制錠、塑性變形加工，使其組織、形狀發生變化后形成不同的形態和規格。按其對熱處理的敏感性可分為可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金兩大類。可熱處理強化鋁合金是應用淬火和時效等熱處理手段來提高機械性能和物理性能，包括硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等；不能熱處理強化鋁合金是通過冷加工變形來強化機械性能，包括高純鋁、工業高純鋁、工業純鋁以及防銹鋁等。形變鋁合金還可以按其性能和使用特點進行分類：防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金、鍛鋁合金和特殊鋁合金。鑄造鋁合金是以熔融金屬充填鑄型的方法，獲得各種規格形狀的零件毛坯。按其性能可分為Al-Si和Al-Si-Mg-Cu為基的中等強度合金；Al-Cu為基的高強度合金；Al-Mg為基的耐蝕合金和Al-Re為基的熱強合金。

4 鋁合金材料的熱處理技術

鋁合金材料的熱處理就是選擇合適的熱處理方式，將鋁合金加熱并控制升溫速度待溫度達到某一相應攝氏度時保溫一定時間然后以設定的速度降溫冷卻，改變鋁合金的內部組織，提高鋁合金的機械性能和物理性能，改善其可塑性，從而獲得材料的穩定性。

（1）鋁合金材料熱處理的技術特點。鋁合金剛淬火后其強度與硬度不會馬上升高，待到一定時間之后（一般為96h～144h），強度與硬度會明顯升高，而這時的溫度可能是室溫也可能是高于室溫的某一溫度范圍，但是其塑性卻恰恰相反，剛淬火后塑性升高，隨著時間的推移塑性逐漸降低。

（2）鋁合金材料熱處理的強化原理。鋁合金熱處理強化過程比較復雜，由于鋁合金的組成成分不同，如AI—Cu—Mg、Al一Cu—Mg—Zn、Al—Zn—Mg—Si等因加入不同的金屬元素，這些金屬元素組成溶質原子在固溶體中無序分布，與位錯之間存在著力學的、化學的以及電學的相互作用不同，進而影響它的強化過程；由于鋁合金加工的用途及零件和構件不同，對時效工藝參數的控制不同，也會影響鋁合金的強化過程；還有鋁合金在生產過程中造成的缺陷，特別是空位、位錯的數量和分布等，都會對鋁合金的強化過程產生影響。但總的來說，時效硬化是溶質原子偏聚形成硬化區的結果。一方面，鋁合金在淬火加熱的同時，合金中會形成一定的空位，冷卻時由于降溫速度快這些空位來不及移出，便被封閉在晶體內與溶質原子結合在一起。由于它們處在亞穩定狀態的固溶體中，隨著固溶體向穩定狀態轉變，溶質原子在空位的作用下加快擴散速度，因而加速了溶質原子的偏聚。另一方面，硬化區的大小和數量與淬火溫度與淬火冷卻速度密切相關，隨著淬火溫度越高、淬火冷卻速度越快，固溶體內所固定的空位濃度越大，硬化區的數量就越多，硬化區的尺寸減小，提高了鋁合金抵抗范性形變的能力。

（3）鋁合金材料熱處理的技術分類。對于可熱處理的強化鋁合金如硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等是應用熱處理技術手段來提高機械性能和物理性能。其中熱處理技術可分為四大類：退火、固溶淬火、時效和回歸。

退火是將鋁合金加熱到一定溫度并在高溫下長期保溫然后以設定的速度均勻冷卻或在較低溫度下保溫較短時間后冷卻或在高溫下保溫足夠時間后冷卻，提高材料表面的處理質量，有利于材料繼續加工，獲得完全再結晶狀態的軟化組織，提高材料塑性。固溶淬火是將鋁合金加熱到一定溫度并保溫到規定時間，使材料中的第二相或其它可溶成分充分溶解到鋁基體中，形成過飽和固溶體進行擠壓淬火，或以較快的速度冷卻到室溫（一般低于15秒）后淬火，進行冷加工或矯直工序。時效是將固溶淬火的鋁合金材料在室溫或須由人工控制溫度和時間，讓亞穩定狀態的固溶體進行充分分解，第二相粒子從固溶體中析出分布在鋁晶體周圍從而產生強化作用的技術。回歸是將已經淬火時效的鋁合金材料在高溫下加溫較短時間使之恢復到新淬火狀態，以提高材料塑性和有利于冷彎成形或矯正形位公差。

5 結語

鋁合金是現階段工業中應用最多的合金材料，被廣泛應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業等重大領域。隨著世界工業經濟的飛速發展，全球對鋁合金部件的需求越來越多，因此我們要加強鋁合金材料的研究和開發，不斷改進鋁合金材料的加工工藝和處理技術，促進我國經濟乃至世界經濟的更快增長。