论铝的热处理：普遍关注的问题和解决方法

在对铝和铝合金进行热处理时，一定要了解面临着什么样的问题，以及为什么工艺波动和设备偏差的控制至关重要。为了在这方面对热处理人员提供帮助，笔者归纳了报告最多的工艺问题以及对如何解决的一些建议。让我们更进一步讨论。

热处理相关问题

对于铝的热处理，报告最多的问题包括：

· 部件摆放不当——这会导致部件变形，很大一部分原因是淬火剂无法以足够快的速度传走热量以获得期望的机械性能。摆放不当还可能引起热变形(因为铝的蠕变强度不够大)。正确的摆放(图1)能够避免这些问题。

图1. 正确的部件摆放

· 加热/升温过快——这会引起热变形，应当防止出现。正确地摆放部件有助于均匀地加热。

· 残余应力水平高于预期——热处理不仅改变机械性能，而且直接影响残余应力水平。以下是一些可能的原因：淬火时(包括铸件凝固后冷却时)表面和内部的冷却速度相差较大；升温速度不合适；中间步骤发生温度变化；等等。残余应力同冷却速度的(较大)差异、部件的截面厚度、截面尺寸的突然变化和材料的强度等因素有关。一定要记住，淬火引起的应力远远大于其他工艺(包括铸造)引起的应力。

· 时间/温度/淬火参数出现波动——它们将导致不同部件之间和不同批次之间机械和/或物理性能的偏差。原因包括部件移送时间太长、淬火不当(过慢)、加热过度、加热不足或沉淀硬化过程中时间-温度参数发生改变。比如，在时间过长和温度过高的情况下会析出较大的颗粒物(沉淀物)。

· 加热过度——这时容易产生初熔或共晶熔化(图2)。举例来说，固溶热处理的温度接近许多铝合金的熔点(尤其是2xxx系列，往往只比它们的熔点低几度)。为了促进固态合金元素的溶解，需要适当的温度。

图2. 铝镁硅合金(6xxx系列)的局部熔化(“玫瑰花”形态)

· 加热不足——这会由于过饱和度不足而损失机械性能。如果时效温度太低和/或时效时间太短，就不容易形成溶质原子聚集区(GP区)，从而造成时效后强度过低。

· 淬火不充分引起变形——这方面的问题/难处在于部件进入淬火剂的动作，特别是在必须采用人工淬火时。部件一定要平稳地进入淬火剂。(用热处理人员的行话说，要避免让部件“拍打”淬火剂。)整个部件均匀传热，能够防止出现冷却差异和应变差异。水平方向上的传热变化通常比垂直方向上的变化更为不利。使淬火剂保持适当的温度，控制它的升温，确保它的均匀流动，选择最合适的淬火剂(比如空气、水或聚合物)，等等，都非常重要。比如，针对一项具体应用的需要，可以通过改变浓度、温度和搅拌强度而调整聚合物的冷却速度，从而保证泡核沸腾阶段的均匀传热和淬火速度。淬火剂的维护也很重要。对形状复杂的部件，比如锻件、铸件、冲击挤压件和使用薄板制成的部件，可以采用较低的淬火速度以改善变形行为。

· 表面起皮/高温氧化——《Industrial Heating》2016年2月版的热处理问题诊断专栏“高温氧化 –案例研究”详细讨论了这个问题。

· 时效过度——这可能会引起机械性能损失。如果时效温度太高和/或时效时间太长，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸会增大，造成时效后强度指标降低。

· 时效不足——这可能也会造成机械性能损失。

· 自然时效不当——自然时效的时间长短不一，2xxx系列合金约为5天，其他合金约为30天。6xxx和7xxx系列在室温下较不稳定，机械性能的变化会持续很多年。有一些合金在经过-18°C(-1˚F)或以下的低温处理后，自然时效会被抑制或推迟几天。通常的作法是，在通过时效改变材料性能之前，已经完成成形、矫直和冲压。比如，低温处理就是2014-T4铆钉为保持良好的铆接性能而经常采取的措施。

· 人工时效不当——人工时效(也称为沉淀热处理)是一个时间较长、温度较低的工艺过程。温度控制至关重要，必须严格保证±6˚C(±10˚F)的温度均匀性。温度均匀性的最佳目标应为±4˚C(±7˚F)。

· 保温时间不够——后果是达不到期望的机械性能。时间太短会导致过饱和度不足，而时间太长容易使部件产生变形。

· 温度均匀性不好——这会导致达不到甚至改变机械性能。工艺温度均匀性的典型要求是±6˚C(±10˚F)，而大多数航空应用则希望达到±3˚C(±5˚F)。

· 固溶处理后冷加工不当——这通常是因为对被处理合金的反应缺乏了解。举例来说，淬火态2xxx系列合金的冷加工会明显加大它对后续沉淀处理的反应程度。

· 固溶热处理产品退火时冷却速度不够——最大冷却速度必须保持在每小时20˚C(40˚F)，直至温度降低到290˚C(555˚F)。在这个温度以下的冷却速度不太重要。

铸造相关问题

顺便要提到的是，出厂状态的铝锭有很多缺陷都会影响到后续的热处理和机械性能，其中包括：

· 孔洞/中心疏松——原因是补缩不足、氢偏析或表面氧化层(往往是因为气泡)

· 夹杂物——以碳化物、硼化物和氧化物等形式存在的铸造杂质(由于晶粒细化剂或气泡)

· 宏观或微观偏析——溶质成分及高硬度的金属间化合物颗粒和第二相颗粒分布不均匀。适当的均质化有助于解决这个问题。

· 变形/收缩——原因是冷却引起的应力/应变

· 热撕裂——主要由于补缩问题而造成

· 为获得更高机械性能而涉及的轧制(薄板和厚板)或延展(挤压件、棒料和板材)问题。不过，如果需要更高的性能水平，应避免进行二次热处理。

其他相关问题

还有其他一些问题同热处理工艺有密切关系或受其影响，比如：

· 金属处理造成的破损导致铝表面由于过度的脱氧蚀刻或清洗操作而产生点蚀或严重的(晶间)腐蚀。改善这些后处理操作的控制，能够避免这个问题。

· 焊接温度过高引起机械性能(比如抗拉强度)下降。控制焊接的顺序、方法和接头设计能够带来明显改善。

· 焊接或氢脆消除烘烤等操作时的过多热量使回火状态改变并造成破坏。

· 机加工不当使部件损坏。人们普遍认为，能够提高硬度的热处理有助于改善铝合金的机加工性能。不过，一定要知道的是，切削力只是诸多因素(比如刀具状态、刀具寿命、表面光洁度、切削能和切屑形成模式)之一。举例来说，6061铝合金的时效对低速下的切削力有影响，但在高速下则无影响。

结语

大多数铝热处理相关问题的解决方法是：了解什么原因会导致出错；确定合适的作法和步骤；在执行这些步骤时保持一致性(和重现性)；尽可能实时进行工艺监测；保留热处理炉操作记录和时间-温度曲线以确认预定操作真正得到执行。

最后，要保证采用合适的测试方法来确认，部件是否符合要求，能否在实际使用中可靠地发挥应有的作用。热处理人员以前都知道这些要求，但它们对铝和铝合金的热处理要比在其他方面更加关键。

文章来源：本文刊登于《IndustrialHeating》中文版杂志2020年12月刊。