真空爐鋁合金熱處理工藝

鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規范，控制加熱速度升到某一相應溫度下保溫一定時間并以一定得速度冷卻，改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學性能，增強耐腐蝕性能，改善加工型能，獲得尺寸的穩定性。

　　鋁合金熱處理特點

　　眾所周知，對于含碳量較高的鋼，經淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對鋁合金并不然，鋁合金剛淬火后，強度與硬度并不立即升高，至于塑性非但沒有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置一段時間（如4～6晝夜后），強度和硬度會顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強度、硬度隨時間增長而顯著提高的現象，稱為時效。時效可以在常溫下發生，稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100～200℃）內發生，稱人工時效。

　鋁合金時效強化原理

　　鋁合金的時效硬化是一個相當復雜的過程，它不僅決定于合金的組成、時效工藝，還取決于合金在生產過程中縮造成的缺陷，特別是空位、位錯的數量和分布等。目前普遍認為時效硬化是溶質原子偏聚形成硬化區的結果。

　　鋁合金在淬火加熱時，合金中形成了空位，在淬火時，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被“固定”在晶體內。這些在過飽和固溶體內的空位大多與溶質原子結合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩定狀態，必然向平衡狀態轉變，空位的存在，加速了溶質原子的擴散速度，因而加速了溶質原子的偏聚。

　　硬化區的大小和數量取決于淬火溫度與淬火冷卻速度。淬火溫度越高，空位濃度越大，硬化區的數量也就越多，硬化區的尺寸減小。淬火冷卻速度越大，固溶體內所固定的空位越多，有利于增加硬化區的數量，減小硬化區的尺寸。

　沉淀硬化合金系的一個基本特征是隨溫度而變化的平衡固溶度，即隨溫度增加固溶度增加，大多數可熱處理強化的的鋁合金都符合這一條件。沉淀硬化所要求的溶解度－溫度關系，可用鋁銅系的Al－4Cu合金說明合金時效的組成和結構的變化。圖3－1鋁銅系富鋁部分的二元相圖，在548℃進行共晶轉變L→α＋θ（Al2Cu）。銅在α相中的極限溶解度5.65％（548℃），隨著溫度的下降，固溶度急劇減小，室溫下約為0.05％。

　　在時效熱處理過程中，該合金組織有以下幾個變化過程：

　　形成溶質原子偏聚區－G·P（Ⅰ）區

　　在新淬火狀態的過飽和固溶體中，銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無序的。時效初期，即時效溫度低或時效時間短時，銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集，形成溶質原子偏聚區，稱G·P（Ⅰ）區。G·P（Ⅰ）區與基體α保持共格關系，這些聚合體構成了提高抗變形的共格應變區，故使合金的強度、硬度升高。

　　G·P區有序化－形成G·P（Ⅱ）區

　　隨著時效溫度升高或時效時間延長，銅原子繼續偏聚并發生有序化，即形成G·P（Ⅱ）區。它與基體α仍保持共格關系，但尺寸較G·P（Ⅰ）區大。它可視為中間過渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）區周圍的畸變更大，對位錯運動的阻礙進一步增大，因此時效強化作用更大，θ”相析出階段為合金達到最大強化的階段。

　　形成過渡相θ′

　　隨著時效過程的進一步發展，銅原子在G·P（Ⅱ）區繼續偏聚，當銅原子與鋁原子比為1：2時，形成過渡相θ′。由于θ′的點陣常數發生較大的變化，故當其形成時與基體共格關系開始破壞，即由完全共格變為局部共格，因此θ′相周圍基體的共格畸變減弱，對位錯運動的阻礙作用亦減小，表現在合金性能上硬度開始下降。由此可見，共格畸變的存在是造成合金時效強化的重要因素。

　　形成穩定的θ相

　　過渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯界面的獨立的穩定相Al2Cu，稱為θ相此時θ相與基體的共格關系完全破壞，并有自己獨立的晶格，其畸變也隨之消失，并隨時效溫度的提高或時間的延長，θ相的質點聚集長大，合金的強度、硬度進一步下降，合金就軟化并稱為“過時效”。θ相聚集長大而變得粗大。

　　鋁－銅二元合金的時效原理及其一般規律對于其他工業鋁合金也適用。但合金的種類不同，形成的G·P區、過渡相以及最后析出的穩定性各不相同，時效強化效果也不一樣。幾種常見鋁合金系的時效過程及其析出的穩定相列于表3－1。從表中可以看到，不同合金系時效過程亦不完全都經歷了上述四個階段，有的合金不經過G·P（Ⅱ）區，直接形成過渡相。就是同一合金因時效的溫度和時間不同，亦不完全依次經歷時效全過程，例如有的合金在自然時效時只進行到G·P（Ⅰ）區至G·P（Ⅱ）區即告終了。在人工時效，若時效溫度過高，則可以不經過G·P區，而直接從過飽和固溶體中析出過渡相，合計時效進行的程度，直接關系到時效后合金的結構和性能。