热处理总结报告

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报告

一，回顾上次课程内容

1 热处理的作用

1）去除铸件的内应力：当然这个改变是用肉眼看不到的，但是在产品使用的过程中这个优势就能体现出来。我们公司的产品，全都是通过铸造得到的，铸件在凝固过程中本身的厚薄不均匀就会导致铸件的内应力产生。当内应力过大的时候，就容易从铸件内部产生裂纹。

2）稳定尺寸：有许多铝合金，在高温下工作，会产生体积张大的现象。这是合金内部的组织发生了一些变化的结果，这个和热胀冷缩的道理一样。施行热处理，能长久保持尺寸不再改变。

3）改善机械性能：提高强度和硬度

那么现在有一个问题：铝合金为什么经过热处理之后，性能会得到改善呢？这个问题与合金相图有关。现在我们来认识一下合金相图。

（铝合金在热处理后性能之所以发生如此重大的变化，是由于经过不同的加热和冷却过程，铝合金的内部组织结构发生了变化。因此要制定正确的热处理工艺规范，保证热处理质量，必须了解铝合金在不同的加热和冷却条件下的组织变化规律，也就是热处理的原理。）

（原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化，即有固态相变发生的合金才能进行热处理）

2 固溶体

（一）固溶体

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。

溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。

此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限置换固溶体和有限置换固溶体。

溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。

已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固溶体。

无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。

3 铝合金的合金相图和作用

用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。

1）从合金相图上可以分析出合金的使用性能，包括强度，硬度，电导率等

2）合金的工艺性能与相图也有密切的联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏 2 / 9

析大小）与相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。相图中液相线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，分散缩孔愈多。

固溶体中溶质含量越高，铸造性能愈差；共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。又如压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体的塑性变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑性变形能力差。再如相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。

因此，合金相图能够指导我们根据要求选择合适的合金成分和成型及加工工艺。

4 铝合金热处理的工艺过程

 热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程。

 加热：一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。

 保温：转变需要一定的时间，因此当工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定的时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全。

 冷却：要使高温的铝合金温度降低，冷却的方法其实很多，可以随炉冷，也可以放在空气中冷却，当然也可以放在水中冷却。不同的方法，其冷却速度肯定是不同的。很明显，水的冷却速度最快，随炉冷的速度最慢。我们一般把水冷这种方法称为淬火，空冷称为正火，随炉冷称为退火。当然，每一种冷却方式对铝合金的性能影响肯定是不同的。

5 常见的热处理缺陷及措施

机械性能不合格：影响成品机械性能的因素很多，首先应检查原材料的冶金和加工质量是否符合要求。在冶金加工质量合格的情况下，须考虑热处理本身的问题。退火产品塑性偏低，大多是因退火温度偏低或保温时间不足，冷却过快引起的，这就要进行补充退火。淬火时效工件强度不足主要是淬火温度偏低、保温时间不够、转移和冷却过慢造成的。人工时效的过时效也会使制品的强度下降。出现上述情况也需进行重复淬火，以恢复合金的性能。

淬火开裂及变形：大多数使用水作为冷却介质，他有很多优点：节约成本，冷却速度快，操作简便。但是，如果冷却过激，工件表面和内部以及不同壁厚之间出现很大的温差，就会引起相当高的内应力，这样就会导致工件开裂。如果冷却水的温度太高了，铝合金的强度有可能达不到要求。

过烧：铝合金在加热温度超过金属内部低熔点组成相的熔点而造成的局部融化称为过烧。由于在融化及冷却时的重新凝固期间，金属的体积、化学成分及物理状态都会发生变化，常常导致在过烧部位形成裂纹、空洞、氧化及杂质富集等，对合金机械及腐蚀性能有严重影响。为了避免过烧，首先应掌握不同合金的实际过烧温度，其次是严格执行淬火加热工艺规程和准确地控制炉温。一般为妥善起见，技术条件中所规定的成品淬火温度均低于最低的第二相融化温度，对于空气循环电炉的实际炉温均匀性和控温仪表的可靠性，必须定期检查，做到这几点，过烧问题是完全能够避免的。

腐蚀氧化：我相信:在座的各位热处理的师傅，都很熟悉的这一步工序就是在工件进行热处理前，一定要做的准备工作就是进行吹沙处理，保证工件是干燥的，无油污，表面没有杂质。现在这一步主要是为了防止铝件在高温下被氧化。

在空气炉内进行高温加热，如炉膛内湿度较大或含有其他有害物质，如硫化物，（工件在机械加工中（比如切冒口）残存的润滑剂就是硫化物的主要来源。）将加剧铝制品的高温氧化。其特征是在金属表面形成气泡或在金属内形成空洞。 3 / 9

炉膛内的潮湿气氛之所以造成高温氧化，是由于水在高温下分解出游离的氢，氢很容易渗入金属表面而形成气泡。硫化物一类外来有害物质能破坏铝件表面原有氧化膜的完整性，使其发生分解。原来这层氧化膜很致密、坚固，对基体金属有保护作用，现在丧失了这种保护效果，使氢更容易渗入金属内层。

二，铸造铝合金的强化方式

1 固溶强化

不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。

无限互溶合金系的组元间具有相似的物理化学性质、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强化作用差，因此，Al-Zn、Al-Ag简单二元合金没有实用价值。

固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越明显，采用溶解度超过1％的其他几个元素，如Al-Mg，Al-Cu、A1-Mn、A1-Si合金系有实用价值。

用多元少量合金化来形成新的强化相或改变沉淀硬化特性，使固溶强化效果更大，如Al-Cu-Mg系，可形成CuAl2(θ相)、Al，CuMg(S相)等强化相，从而使合金获得显著强化。

2 沉淀强化(时效强化) ：

铝合金固溶强化效果有限，要想获得高强度，必须配以时效强化处理。合金元素在铝中要有较大的极限溶解度，其溶解度随温度的降低而急剧减小，时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，从而提高合金的强度。

铝合金时效强化效果不仅与第二相的形状、尺寸、数量和分别有关，而且最重要的取决于第二相的结构和特性。沉淀强化相应满足以下基本条件：

A沉淀强化相是硬度高的质点；

B沉淀相在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度，随温度降低，其溶解度急剧减小，能析出较大体积分数的沉淀相；

C在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相，并且是弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生较大的共格应变区。

可热处理强化铝合金：A1-Cu-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg系。

3 过剩相强化：

加入铝中的合金元素量超过其极限溶解度时，固溶加热后便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称之为过剩相。

铝合金中的过剩相多为硬而脆的金属间化合物，在合金中起阻碍位错滑移的作用，使强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。

Al-Si共晶铸造合金的主要强化手段是靠过剩相强化。随着硅含量增加，过剩相的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。但硅含量不能超过共晶成分太多，以免出现多角形的板块状初晶硅，导致强度和塑性的急剧降低。

4 细晶强化：

铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化，以提高铝合金机械 4 / 9

性能，这是细晶强化。

铸造铝合金：加入微量元素(变质剂)进行变质处理来细化铸态组织。变质处理适用于不能热处理强化或强化效果不大的铝合金。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐或者锑等变质剂进行变质处理，细化组织，可以显著提高强度和塑性；铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等使杂质铁的板块状或针状化合物AlFeSi细化，从而提高塑性。

三 固溶处理

1 入炉温度及升温

★ 入炉时，炉内温度不超过200℃

在我公司，要进行热处理的铸件主要是缸盖、阀体和支架。这些铸件的形状都很复杂，另外，壁厚不均匀，有异形面或内通道等复杂结构，变形后很难矫正。大家都知道，一般物体都有热胀冷缩的特性，在低温状态下突然升至高温，体积会迅速膨胀，当物体本身塑形较好时，可能由于膨胀不均匀而变形；而塑性不好时，就会开裂或产生微裂纹，例如，冬天用冷的玻璃杯接开水，开水一倒进去，杯子很可能就破碎了。

★ 要缓慢升温至保温温度

缓慢升温一个原因是避免铸件受热不均匀而产生变形和裂纹；第二个原因就是可以尽量避免铸件的过烧，因为低温下的铝合金中含有很多析出相和杂质等非平衡共晶体，在缓慢升温的过程中，一部分析出相和杂质会逐渐溶解到基体中，导致铝合金的实际过烧温度在一定程度上就会提高，如此以来，在保温的过程中就可以使由于炉内温度升高而引起过烧的可能性降低。从入炉到加热到保温温度的时间在2-3h为宜。

2 保温温度

我们上次课讲过，在避免发生过烧的情况下，尽可能提高保温温度，促使更多的强化相溶入基体。这个很容易理解，就比方说，我们在冷水中加糖或盐，溶解的慢而且少，但是换了开水的时候，就溶解的很快而且可以溶更多的糖或盐。下面我们来看，这个保温温度如何来选取：

淬火加热温度主要根据相图中低熔点共晶温度和合金溶解度曲线的温度来选择。如图1为二元相图示意图。成分为B1的合金只有温度高于t溶时β相溶于基体形成单一的α固溶体。当温度继续升高到t共时，超过了非平衡结晶条件下的低熔点共晶温度，即产生低熔点共晶体熔化，称过烧。金属制品过烧，造成废品。因此淬火加热温度必须低于共晶温度(过烧温度)，而高于合金的溶解度曲线温度。从理论上讲共晶温度与过烧温度是一致的。实际上由于非平衡结晶以及 图1 淬火加热温度与合金成分的关系图