有色金属的热处理与钢有什么不同，了解一下有色金属的热处理原理

铜及铜合金的热处理

一、纯铜（紫铜）

铜是人类历史上应用最早的金属。现主要用作导电、导热并有耐蚀性的器材。导电元件、弹性元件、管道和耐磨零件（轴承、衬套、小齿轮等）。

• 密度：8.94g/cm3；
• 导电性和导热性仅次于金和银；
• 面心立方晶体结构，在极低温度下仍然保持良好塑性；
• 熔点：1084°C

（1）导电性好、导热性好。（导线、电缆、散热管、热交换器等），任何杂质元素的加热都会降低铜的导电性和导热性；

冷变形对铜导电性能影响不大，纯铜经80%冷变形，导电率降低不到3%，因此铜导线可在冷作硬化状态使用。冷作硬化是提高铜及铜合金强度的常用方法。

杂质元素对铜导电和导热性影响

（2）化学稳定性高，耐蚀性好。铜的标准电极电位比氢高，在许多介质中的化学稳定性都很好。（电线、冷热水配水设备、热水泵及废热锅炉）；

（3）无磁性，磁化系数极低，用来制造不允许受磁性干扰的磁学仪器（罗盘、航空仪器、炮兵瞄准环等）；

（4）塑性变形能力高。面心立方晶格。但中温区塑性剧烈降低，应避免在此区间进行压力加工。热压加工一般在800-900°C进行。中温脆性区一般认为是Pb等低熔点杂质引起的。

铜的力学性能与温度的关系（99.5%Cu，0.005%Pb，600°C退火1小时）

工业纯铜的热处理

一般只进行再结晶退火，目的是消除内应力、使金属软化或改变晶粒度。退火温度一般为500-700°C。

工业纯铜的牌号

T1---99.95%Cu；

T2---99.90%Cu；

T3---99.70%Cu；

T4---99.5%Cu

含Bi、Pb、Sb、S、P、O等杂质。

无氧铜

TU1,TU2。含氧量低于0.01%。具有更高导电性、导热性、耐蚀性、可焊性和塑性。

按照化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜及白铜三大类。

（1）黄铜：以Zn为主要合金元素，以H表示，H后面的数字表示含铜量。若还有另一种合金元素，则H后面添加上所加元素的化学符号，并在表示含铜量的数字后面划一短横线，写上它的百分含量；例：H68，HPb59-1。

（2）白铜：以Ni为主要合金元素，以B表示。例：BAl6-1.5。

（3）青铜：除Zn和Ni以外的元素为主要合金元素，以Q表示。例：QSn7。

二、黄铜

良好的机械性能、耐蚀性、导电性和导热性等。与纯铜和其它铜合金相比，价格较低，是有色金属中应用最广的合金材料。分为二元黄铜（普通黄铜）和多元黄铜（复杂黄铜、特殊黄铜）。

Cu-Zn合金相图

从铜锌合金相图可以看出黄铜有a和a+b’两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。

黄铜的性能

Zn含量对铸态Cu合金力学性能的影响

黄铜的应用

单相黄铜塑性好

H96和H85具有良好导热性和耐蚀性，一定强度和良好塑性。大量用于冷凝器和散热器。

H70和H68强度较高，塑性特别好，用于冷冲压或深拉伸法制造复杂零件。枪弹壳、炮弹筒，有“弹壳黄铜”之称。

两相黄铜热塑性好,强度高

H62有很高强度，热态下塑性好，以板材、棒材、管材、线材等供工业大量使用，有“商业黄铜”之称。

H59强度高，含Zn量高，价格便宜。极好地承受热压力加工，有一般耐蚀性，多以棒材和型材用于机械制造业。

黄铜的热处理制度

黄铜的主要热处理方式：退火（再结晶退火、去应力退火）

再结晶退火：加工工序之间的中间退火，产品最终退火。目的是消除加工硬化，恢复塑性及获得细晶组织。再结晶温度随合金成分不同，多在300-400°C。再结晶退火温度多在600-700°C。

去应力退火：含锌量较高的黄铜，应力腐蚀破裂倾向很严重，其冷变形产品必须进行去应力退火，清除变形中产生的残余应力，防止自裂。一般230-300°C。

退火硬化现象

黄铜冷变形后于再结晶温度以下退火，其硬度不但不降低，反而有所升高。例如H70，冷变形50%后在235°C退火1小时，抗拉强度升高30MPa，延伸率降低2%。试验证明，含Zn大于10%的黄铜、含Al大于4%的青铜、含Mn大于5%的青铜和含Ni大于30%的白铜都有这种退火异常硬化现象，也称变形时效。

三、锡青铜

铜与锡的合金称为锡青铜。锡青铜的应用在我国已有两千多年历史，最主要特点是耐蚀、耐磨、弹性好和铸件体积收缩率很小。

锡青铜的用途：

（1）高强弹性材料：弹簧、弹片、弹性元件；

（2）耐磨材料：轴承套、齿轮等；

（3）艺术铸件，铜像等。

Cu-Sn合金相图

在α相区，Sn含量增加，强度及塑性均增大，约10%Sn附近的塑性最好，在21%-23%Sn附近的抗拉强度最大。δ相(Cu31Sn8)脆而硬，随该相增多，强度急剧下降。

Sn含量对锡青铜力学性能的影响 Sn：3~14%

锡青铜的热处理

铜锡合金中的原子扩散速度进行很慢，共析转变只有在长时间保温才能进行。另外，一般生产条件下，冷却速度快，合金中不出现α+ε组织。从工程角度出发，锡青铜的锡含量一般都小于10%，得到的是单相α组织，故锡青铜不能热处理强化。

根据锡青铜的使用目的和加工方法，常用热处理是均匀化退火、再结晶退火和去应力退火。

消除枝晶偏析的均匀化退火，通常处理温度为625-725°C，1-6小时；

锡青铜在冷变形工序之间，中间再结晶退火消除形变硬化，例如QSn6.5-0.4的再结晶退火温度为600°C；

用作弹性元件的锡青铜QSn4-3等不能进行再结晶退火，只进行去应力退火，退火温度为250-300°C。

四、铝青铜

锡价格昂贵，所以用其它合金元素代替锡。铝青铜就是其中之一。铝青铜具有良好的力学性能、耐蚀性和抗磨性。

Cu-Al合金相图

含铝量为5%-8%的铝青铜（QAl5和QAl7）为α单相合金，塑性良好，可进行冷热加工；

含铝量为9%-10%的合金（QAl10）在高温具有α+β组织，能承受热压力加工。565°C以下共析分解后，合金塑性下降，不能进行冷变形。

Al含量对铝青铜力学性能的影响

铝青铜的热处理

当铝合金含量小于7.4%时，在所有温度下，均为单相α固溶体，塑性好、易于加工。压力加工时，一般进行中间再结晶退火和去应力退火。

含铝量为9.4%-15.6%的铝青铜，可进行热处理强化。当温度达到β相区时，快速冷却发生β→β′相变，形成β′马氏体。

五、铍青铜

含铍的铜合金为铍青铜，铍含量一般为1.5%-2.5%。铍青铜有很强的沉淀强化效应，经过淬火时效，得到强度约1400MPa，并具良好的导热、导电性，耐蚀和耐磨性。

铍青铜可用于制造高级弹性元件和特殊耐磨元件，还用于电器转向开关（无磁、冲击无火花）、点接触器等。

Cu-Be合金相图

铍青铜的热处理

（1）淬火：含铍量超过1.7%，最佳淬火温度780-790°C，保温时间8-15min。

（2）时效：时效温度0.5-0.6Tm。含铍量高于1.7%的合金，最佳时效温度为300-330°C，保温1-3小时；含铍量低于0.5%的合金，熔点升高，则最佳时效温度为450-480°C。

过饱和固溶体→G.P.区→γ′→γ

（3）退火：铍青铜退火最好在β共析转变温度以下进行，一般为550-570°C，保温2-3小时。退火温度过高，超过共析转变温度，会导致β相聚集粗化，低于550°C则不能有效软化合金。去应力退火一般在150-200°C保温15-20min。

六、白铜

铜与镍形成无限固溶体，普通白铜组织为单相固溶体。突出优点是高力学性能和在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，在海船、医疗器械和化工部门广泛应用。铁白铜、铝白铜、锌白铜和电工白铜。

Cu-Ni合金相图 Ni<30%，B10，B20，B30，BZn15-20

钛及钛合金的热处理

纯钛

广泛用于飞机制造业、宇航工业、舰船工业、冶金、化学工业等。

• 密度：4.5g/cm3，所有金属材料中几乎最高的比强度；
• 良好的耐热和耐蚀性；
• 密排六方晶体结构，但具有良好的塑性；
• 熔点：1668°Cp

钛具有同素异构转变，转变温度为882.5°C。此温度以下为α钛，米排六方结构；此温度以上直到熔点是β钛，体心立方结构。

钛合金中的合金元素

按合金元素对同素异构转变温度的影响和在α相或β相中的固溶度，合金元素可分为三大类：

• α稳定元素：它们能提高α↔β相转变温度，可较多地固溶于α相，扩大α相区；
• β稳定元素：它们能降低α↔β相转变温度，可较多地固溶于β相，扩大β相区；
• 中性元素：对相转变温度影响不大，并能在α相和β相中大量溶解或完全互溶；

钛合金的分类

• 钛合金(TA)：主要含Al、Zr和Sn，在合金中有固溶强化作用。多呈单相α固溶体，不能热处理强化。Al含量超过6%可产生Ti3Al相，提高强度，但塑性急剧下降。在α相区加热退火，可得到等轴α细晶粒，具有较好的综合性能。在β相区加热退火，晶粒急剧长大，空冷形成片状α组织，称为魏氏组织。在β相区加热淬火，形成片状马氏体，但它没有强化效果；
• α+β钛合金(TC)：在钛合金中同时加入α 稳定元素和β稳定元素则形成α+β钛合金，可使α相和β相同时得到强化。α稳定元素主要是铝，其次是锡和锆；β稳定元素主要有钒、钼、铬、锰和硅等。β稳定元素加入量为4-6%，可获得足够的β相，以改善合金的塑性和热处理强化能力；
• β钛合金(TB)：在钛合金中含有多量β稳定元素如钼、铬、钒、锰、镍等。Β钛合金由高温空冷或水冷后得到单一β相组织，通过时效可提高合金强度；

钛合金中的不平衡相变

马氏体型相变：钛合金自高温（β相区）快速冷却，根据成分不同，β相可转变为马氏体α′（α″）、ωq或过冷βr亚稳相。

• β稳定元素含量不高时， β相由体心立方结构转变为密排六方结构，这种过饱和固溶体称为六方马氏体α′。
• β稳定元素含量较高时，转变阻力大，不能直接变成六方马氏体，只能转变成斜方马氏体α″。
• β稳定元素含量更高时，马氏体转变开始点Ms下降到室温以下， β相被固定到室温，这种β相称为“残余β相”或“亚稳β相”，用βr表示。
• β稳定元素含量高时，还可形成淬火ωq相，属六方晶系，与β相共生并共格。该相硬而脆，在淬火和回火中都应该避免它的形成。

钛合金的热处理

退火（时效）转变：

钛合金淬火形成的α′、α″、ωq和βr相都不稳定，在随后的加热过程中都要发生分解。

马氏体分解：马氏体在300-400°C开始发生分解。在400-500°C时效可以获得高度弥散的α+β相混合物，使合金弥散强化 。

亚稳相βr分解：βr→α+β1（平衡β相）。

ωq相的分解：ωq相是β稳定元素在α相中的过饱和固溶体，分解为α+β相。

强化热处理：固溶+时效。

钛合金的强化热处理兼具有钢和铝的特点，但又有区别。

钢和钛淬火都可得到马氏体，但钛的马氏体硬度不高，强化效果不大，回火使合金弥散硬化；

钢只有一种马氏体强化机理，而同一成分的α+β钛合金有两种强化机理，即高温淬火马氏体分解为弥散相使合金强化和低温淬火过冷β相分解为弥散相使合金强化；

钛合金的固溶处理和时效过程与铝合金相似。

强化热处理的原则是用快速冷却方法得到亚稳态β 、α′和α″相，随后时效过程中它们分解为弥散的α和β相 。

• 形变热处理；
• 化学热处理。

钛合金的热处理举例

TA7合金：典型α钛合金，成分Ti-5Al-2.5Sn，铝和锡起稳定α和固溶强化作用。

（1）该合金不能热处理强化，只能进行再结晶或去应力退火热处理。再结晶开始温度为580°C，β相变点约为1020°C；再结晶退火温度为700-850°C，消除应力退火温度为550-600°C；

（2）TA7合金中等强度，抗拉强度750-950MPa，屈服强度650-850MPa，延伸率10-15%。长期工作温度可达450°C，短时可在800-850°C工作，具有良好的抗蠕变能力和热稳定性；

（3）具有良好的低温性能和焊接性能。随温度降低，强度升高，塑性略有降低，常用做超低温高压容器。

（4）工艺塑性较低，冲压成形须加热到700°C左右才能进行。

镁及镁合金的热处理

• 地壳中总储量第三位，占2.35%；
• 密度小，是最轻的金属结构材料；
• 原子序数12；
• 密排六方结构；
• 机械强度低，弹性模量低；减振性能好，切削加工性能好。

镁中的主要杂质元素是：Fe，Ni，Cu。严重降低镁的耐腐蚀性。

镁的合金化

主要强化方式：

固溶强化、沉淀强化、细晶强化、加工硬化、过剩相强化

镁的合金化原则与铝相似，都是利用固溶强化和时效处理生成的沉淀硬化来提高合金的力学性能。因此所选择的合金元素在镁中应该具有较高的固溶度，并随温度有较明显的变化，在时效过程中能形成强化效果显著的第二相。

目前实际应用的镁合金系：

• Mg-Al-Zn系：例如MB2,MB3,ZM5;
• Mg-Zn-Zr系：例如ZM1,MB15;
• Mg-RE-Zr系或Mg-RE-Mn系：例如ZM3,MB8等

MB-变形镁合金；ZM铸造镁合金；YM-压铸镁合金

• Al在镁中的最大固溶度：12.6%
• Zn在镁中的最大固溶度：8.4%
• Zr在镁中的最大固溶度：3.8%

镁合金的固态相变特点

镁合金的基本固态相变形式与铝合金相同，是过饱和固溶体的分解，它也是时效硬化的理论根据。

以Mg-Al系合金为例：

Mg-Al系合金在共晶温度以下，平衡组织为δ固溶体+Mg17Al12化合物。铝在镁中的固溶度从437°C的12.6%降到室温的1%左右。因此利用淬火处理可以获得过饱和δ固溶体。

试验表明，在随后的时效过程中，过饱和δ固溶体不经过任何中间阶段直接析出非共格平衡相Mg17Al12，不存在预沉淀阶段或者过渡相。

Mg17Al12相在形成方式上有两种类型：连续析出和非连续析出。通常以非连续析出为先导，然后再进行连续析出。非连续析出大多从晶界或位错处开始，Mg17Al12相以片状形式按一定取向往晶内生长，整个反应区呈片层状结构，反应区和未反应区有明显的分界面。

从晶界开始的非连续析出进行到一定程度后，晶内产生连续析出。Mg17Al12相以细小片状形式沿基面（0001）生长，基体中含铝量不断下降，晶格常数连续增大，因晶格常数变化是连续的，因此成为连续析出。

连续与非连续析出在时效组织中所占的相对量与成分、淬火温度、冷却速度和时效参数等因素有关。

一般来说，非连续析出先进行，特别是过饱和度较低，固溶体内存在成分偏析及时效不充分的情况下；

反之，在含铝量较高，快速淬火及时效温度较高的条件下，连续析出占主导地位。

有关文献指出，在100-250°C时效，同时存在两种析出方式；而250°C以上时效，扩散速度较高，只进行连续析出。

镁合金的主要热处理类型

镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，但镁合金原子扩散速度慢，淬火加热后通常在空气中冷却即可达到固溶处理的目的。对自然时效不敏感，长期放置在室温条件下可保持淬火状态下的原有性能。

镁合金氧化倾向比铝合金强烈，热处理炉内应保持一定中性气体。

镁合金常用热处理类型如下：

（1）T1：铸造、加工后直接人工时效。Mg-Zn合金晶粒容易长大，重新淬火晶粒会粗大，因此不如使用T1处理；

（2）T2：消除残余应力和冷作硬化而进行的退火处理；

（3）T4：固溶处理。可提高抗拉强度和延伸率；

（4）T6：固溶（空冷）+人工时效，提高合金的屈服强度，但塑性降低；

（5）T61：固溶（热水）+人工时效，针对对冷却敏感的Mg-RE-Zr合金，可比T6强化效果更好。

常见热处理缺陷：不完全淬火、晶粒长大、表面氧化、过烧、变形等。

End