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铝棒时效强化及均匀化处理

2017-11-28

    经淬火后的铝合金强度、硬度随时间延长而发生显著提高的现象称之为时效,也称铝合金的时效硬化。这是铝合金强化的重要方法之一。

  由定义可知,铝合金时效强化的前提,首先是进行淬火,获得饱和单相组织。在快冷淬火获得的固溶体,不仅溶质原子是过饱和的,而且空位(晶体点缺陷)也是过饱和的,即处于双重过饱和状态。经研究可知;铝合金固溶处理温度越高,处理后过饱和程度也越大,经时效后产生的时效强化效果也越大。因此固溶处理温度选择原则是:在保证合金不过烧的前提下,固溶处理温度尽可能提高。

  固溶处理后的铝合金,在室温或某一温度下放置时,发生时效过程。此过程实质上是第二相从过饱和固溶体中沉淀的过程。这种过程是通过成型和长大进行的,是一种扩散型的固态相变。它依下列顺序进行:a过→G.P区→θ’’相→θ’相→θ相 影响时效强化效果的因素有哪些?

  时效是按一定顺序进行的,强化效果受以下因素影响。

  (1) 时效温度。固定时效时间,对同一成分的合金而言,时效温度与时效强化效果(硬度)之间关系。在某一时效温度时,能获得最大硬化效果,这个温度称为最佳时效温度。不同成分的合金获得最大时效强化效果的时效温度是不同的。统计表明,最佳时效温度与合金熔点之间存在如下关系:T0 = (0.5 – 0.6)T

  (2) 时效时间。硬度与强度峰值出现在θ’’相的末期和θ’过渡相的初期,θ’后期已过时效,开始软化。当大量出现θ相时,软化已非常严重。故在一定的时效温度内,为获得最大时效强化效果,应有一最佳时效时间,即在θ’’产生并向θ’转变时所需的时间。

  (3) 淬火温度、淬火冷部却速度和淬火转移时间。实践证明,淬火温度越高,淬火冷却速度越快,淬火中间转移时间越短,所获得的固溶体过饱和程度越大,时效进行后强化效果越大。

  (4) 时效工艺。时效可选单级或分级时效。单级时效指在室温或低于100℃温度下进行的时效过程。它工艺简单,但组织均匀性差,抗拉强度、屈服强度、条件屈服强度、断裂性、应力腐蚀抗力性能很难得到良好的配合。分级时效是在不同温度下进行两次时效或多次时效。在较低温度进行预时效,目的在于在合金中获得高密度的G.P区,由于G.P区通常是均匀成核的,当其达到一定尺吋后,就可以成为随后沉淀相的核心,从而提高了组织的均匀性。在稍高温度保持一定时间进行最终时效。由于温度稍高,合金进入过时效区的可能性增大,故所获得合金的强度比单级时效略低,但是这样分级时效处理后的合金,其断裂性值高,并改善了合金的抗腐蚀性,提高了应力腐蚀抗力。

  均匀化处理:

  均匀化处理作为提高锭坯的冶金质量及挤压性能的手段已经得到了广泛的应用。均匀化处理重要的参数如:均热时间、均热温度及冷却速率都有了明确的提法。间歇式的均匀化炉也被的连续均匀炉所取代,连续均匀化炉具有先进的控制系统、完整的自动检测系统、锯切及装载系统。当然这种处理过程成本相当高,量化的收益就会有所减少。

  未均匀化处理锭坯的适应性:

  但铝棒加热的重要性也得到了普遍公认,均匀化潜在的好处也許是可能被改进的加热工艺实践所取代。直接加热的锭坯被认为会引起限制挤压速度提高的模具缺陷和撕裂。该情况发生确切的机理还不是清楚。金属间存在的相、及其形状、固溶度都影响着合金的挤压性能、机械性能。

  近年來未均匀化处理锭坯其应用前景不错,也许要比我们想象的还要好些。Mg、Si的高固溶度对合金来说是一个相当重要的性能,这只要中等的加热温度也许就能达到。因为较长的加热时间只需要较低的温度。T1、T5状态下其硬度非常接近于最大值(但如与T4、T6状态下性能作比较)。

  对未均匀化处理的锭坯在低温下和无保温时间下(0小时/480℃加热条件下)进行挤压,这对挤压产品T5状态下性能不利。然而其性能仍能达到标准的下限。无凹痕碰撞性能也会降低,然而我们惊奇地发现其带凹痕碰撞性能要高于最高的加热条件下挤压产品。

  如果需要,使用快速挤压及标准的固溶及时效处理,产品的硬度和拉伸性能能被提高到与最高加热条件下的挤压产品相当。也许能够通过提高挤压温度来提高未均匀化处理锭坯挤压产品T1、T5状态下的性能,然而,更高的挤压出口温度将限制最大挤压速度实现的可能。

  似乎通常的煤气加热炉,都有一个长度合理的热区,用来适合6063合金锭坯的各种加热。如果需要更高的加热温度来优化合金性能,有这样的铝棒加热炉,能满足挤压前锭坯加热的要求,并形成温度梯度。这种方法能用来适应未均匀化处理锭坯的加工。

  使用低温加热或短时间加保温意味着含Fe金属间化合相并没有完全转化为平衡相α-Al8Fe2Si,已经研究了其对强度及抗冲击性能的影响,这也许还影响到挤压性能。例如:金属间化合物的大小、形状、类型可能影响到模具磨损及粘铝。如果Mg和Si得不到完全固溶,剩余的Mg2Si/Si会因为低共晶化合物熔解、撕裂从而对挤压速度产生负面影响。也许在工作中并没有发现加热条件对突破压力及挤压产品表面产生不明显的影响。

  另一个必须考虑的因素是合金成分。因此就需要更高的加热温度及加热时间。改变Mg和Si的含量将直接影响着合金的某些性能,并间接的影响到合金的固溶温度。另外,不同的Fe含量会与不同量的Si发生反应结合在一起,这将影响产品的最终性能。

  观察结论:

  合金的固溶温度对均匀化、锭坯加热、挤压(关系到出料口温度)和固溶处理来说是一个非常重要的参数。使用多项技术(工艺):硬度、微观分析、微探针形貌分析、(热电偶)来评估锭坯加热。实验结果表明6063合金固溶温度大约为490℃。

  锭坯加热过程中,含Fe金属间化合物的构成很大程度上都依赖于加热温度,计算平衡相α-Al8Fe2Si为经570℃2小时保温后6063合金仅存的相,但在540℃及更低的温度下发现了一个以上的金属间化合物。

  使用未均匀化处理铝棒虽然会导致产品T5状态下硬度、抗拉强度和无凹痕碰撞能的降低,但仍可达到合金机械性能。当加热条件接近与常规的均匀化处理,其性能达到高值。使用未均匀化处理的锭坯T5状态下的带凹痕碰撞能和T6状态的抗拉性能有不利的影响。而其对挤压性能的影响有待进一步量化。


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