金属热处理铝合金的热处理.pptx

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1、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。第1页/共41页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CO2是钢的7-9倍。第2页/共41页 加入NaF、Al2F6、LiF、CaF2、MgF2 调节电解质温度，降低900以下，每降100100，节电1.5kw.h1.5

2、kw.h。电解槽超大型化发展阳极（石墨）阳极（石墨）阴极（石墨）阴极（石墨）熔盐熔盐NaF Al2F6 LiF CaF2 MgF2 电解铝示意图电解铝示意图CO2HFC第3页/共41页铝电解烟气净化阳极消耗，生成CO2。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。第4页/共41页铝电解用新材料（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。第5页

3、/共41页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。第6页/共41页TiB2惰性阴极材料目前认为，TIB2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)。第7页/共41页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：TiB230%60%，炭素填料1840，有机树脂2035。涂层工艺：刷涂。涂层效果：涂层对铝液润湿性好，可阻挡电解

4、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。第8页/共41页（2）硼化钛复合阴极材料成分：TiB2粉、炭素填料、粘结剂。制备工艺：炭素块表面预先处理，TiB2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。第9页/共41页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 2）良好的导电性；（3 3）良好的抗热振性。第10页/共41页惰性阳极材料的具体性能要求（1）导电

5、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。第11页/共41页使用惰性阳极的意义（1）阳极无CO2排出，只有O2；（2）阳极不消耗，无需更换，电解槽全密封；（3）能耗下降423。第12页/共41页有希望的惰性阳极材料金属氧化物陶瓷：金属阳极表面CeO2涂层NiO-NiFe2O4+CuAg第13页/共41页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

6、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。第14页/共41页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。第15页/共41页典型的沉淀硬化铝合金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：MgZn2、Al2Mg3Zn3Al-Mg-Si，强化相：Mg2SiAl-Cu-Mg，强化相：CuAl2、Al2CuMg第16页/共41页铝合金的细晶强化细化晶粒、

7、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Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn，伸长200%不发生晶粒长大。第17页/共41页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。第18页/共41页Al-CuAl-Cu合金的时效合金的时效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

8、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。第19页/共41页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。第20页/共41页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。第21页/共41页AlCu25.65%Al-Cu合金相图合金相图第22页/共41页GP区模

9、型，Cu原子在Al的100面上偏聚第23页/共41页（）（）生成生成时效温度升高，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。第24页/共41页（）（）的生成的生成20012小时时效，生成。正方点阵a=b=4.04，c轴5.80，名义成分CuAl2，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。第25页/共41页Al-Cu合金中合金中、及及相的晶体结构相的晶体结构第26页/共41页（）相生成进一步提

10、高温度和延长时效时间，转转变变成成（CuAl2）。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 过渡过渡相相 （CuAl2）有时上面几相可能同时存在。第27页/共41页铸造铝合金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。第28页/共41页主要的铸造铝合金主要的铸造铝合金（）Al-Si、Al-Si-Mg系，强度中等，常温使用，适合铸造复杂形状零

11、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。第29页/共41页Al-Mg二元合金相图二元合金相图第30页/共41页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。第31页/共41页Al-Si系合金的牌号及主要成分合金牌号主要成分，%SiMgMnCuAlZL-1016.08.00.2

12、0.4_余量ZL-10210.013.0_余量ZL-1034.55.50.350.60.60.91.53.0余量ZL-1048.010.50.170.30.20.5_余量ZL-1054.55.50.350.6_1.01.5余量第32页/共41页Al-Si合金相图合金相图第33页/共41页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。第34页/共41页未变质的(a)和变质

13、处理后的(b)Al-12%Si合金组织 500(a)(b)第35页/共41页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。第36页/共41页变质处理的机理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

14、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。第37页/共41页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。第38页/共41页除了ZL-102，其它牌号的铝

15、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。第39页/共41页合金牌号合金牌号热处理热处理状态状态淬火淬火时效（回火）时效（回火）加热温度加热温度保温时间保温时间小时小时冷却介质及冷却介质及温度温度加热温度加热温度保温时间保温时间小时小时冷却介质冷却介质ZL101ZL101T2T2_ _ _ _30010300102-42-4空冷空冷/炉冷炉冷T4T4535553552-62-620-10020-100，水，水-T5T5535553552-62

16、-620-10020-100，水，水150515052-42-4空冷空冷T6T6535553552-62-620-10020-100，水，水200520053-53-5空冷空冷T7T7535553552-62-680-10080-100，水，水225522553-53-5空冷空冷T8T8535553552-62-680-10080-100，水，水250525053-53-5空冷空冷ZL-102ZL-102T2T2-30010300102-42-4空冷空冷/炉冷炉冷ZL-103ZL-103T1T1-175517553-53-5空冷空冷T2T2-30010300102-42-4空冷空冷T5T551

17、5551553-63-620-10020-100，水，水175517553-53-5空冷空冷T7T7515551553-63-620-10020-100，水，水23010230103-53-5空冷空冷T8T8515551553-63-620-10020-100，水，水33010330103-53-5空冷空冷ZL-104ZL-104T1T1-175517555-105-10空冷空冷T6T6535553553-53-520-10020-100，水，水175517555-105-10空冷空冷ZL-105ZL-105T1T1525552553-53-520-10020-100，水，水180518055-105-10空冷空冷T5T5525552553-53-520-10020-100，水，水180518055-105-10空冷空冷T6T6525552553-53-520-10020-100，水，水200520053-53-5空冷空冷T7T7525552553-53-520-10020-100，水，水230523053-53-5空冷空冷第40页/共41页感谢您的观看！第41页/共41页