铝合金热处理知识全解

铝合金是一类以铝为主要成分并加入其他合金元素（如铜、镁、锰、硅、锌等）形成的材料，以其独特的轻质高强特性和出色的耐腐蚀性能在各个工业领域中得到了广泛应用。铝合金根据其合金化程度和用途可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金用于生产各种产品形状，通过轧制、挤压、锻造等方式加工，并通过热处理工艺来优化其力学性能和物理性能。铸造铝合金则用于生产复杂的零部件形状，主要用于汽车和航空航天领域的精密部件。

近年来，铝合金在工业中的应用不断扩展，从传统的航空航天和汽车制造逐渐渗透到电动汽车、可再生能源设备（如风力涡轮机和太阳能板结构）、高铁列车和消费电子产品等多个领域。这一趋势得益于铝合金材料在强度与重量比上的突出表现，使其成为实现轻量化设计的理想选择，从而提高燃油或能源效率，减少碳排放。现代铝合金的研发更加注重材料性能的多功能化，通过添加稀土元素或采用纳米技术进一步提高其抗疲劳性、耐高温性和电化学稳定性。此外，为了满足高科技行业的严苛要求，先进的加工与热处理技术（如快速固溶处理、精密时效处理等）被用于最大限度地优化合金的微观组织结构，提升其综合性能。

1、根据合金成分分类

• 变形铝合金：主要用于通过挤压、轧制和锻造等工艺加工成型，通常具有良好的机械性能和可塑性。变形铝合金又可分为：

• 铝-铜合金（2XXX系列）：以铜为主要合金元素，具有较高的强度，但耐腐蚀性较差，常用于航空航天结构件。

• 铝-镁合金（5XXX系列）：以镁为主要合金元素，具有良好的耐腐蚀性和焊接性，广泛应用于船舶、汽车等领域。

• 铝-锰合金（3XXX系列）：以锰为主要合金元素，具有良好的成形性和耐腐蚀性，适合用于建筑和包装。

• 铝-硅合金（4XXX系列）：以硅为主要合金元素，常用于焊接材料和耐高温部件。

• 铝-锌合金（7XXX系列）：以锌为主要合金元素，强度高，但耐腐蚀性较差，主要用于航空和军用领域。

• 铸造铝合金：通过铸造工艺生产，通常用于制造复杂形状的零件。铸造铝合金一般以铝-硅合金（如A356、A380）为主，具有良好的流动性和铸造性能。

2. 根据加工方式分类

• 热处理铝合金：可通过热处理工艺（如固溶处理、时效处理）来提高其强度和硬度，通常包括2XXX、6XXX、7XXX系列。

• 非热处理铝合金：不通过热处理来改善性能，主要依赖合金成分，通常包括1XXX、3XXX、4XXX、5XXX系列。

3. 根据应用领域分类

• 航空航天铝合金：主要用于飞机、火箭、卫星等，要求轻质、高强度、耐腐蚀性好。

• 汽车铝合金：用于车身、发动机部件等，关注轻量化和安全性。

• 建筑铝合金：用于门窗、幕墙、屋顶等，重视耐候性和美观性。

• 电器铝合金：用于电气设备的外壳和结构件，注重电导性和绝缘性。

补充：不同系列铝合金特性。

铝合金的热处理工艺主要包括以下几种：

1. 退火（Annealing）：

• 目的：降低硬度、消除内应力、提高塑性和加工性能。

• 过程：将铝合金加热到特定温度（通常在300°C至500°C之间），保持一定时间后缓慢冷却。

• 应用：适用于改善铝合金的成形性和加工性能。

• 固溶处理（Solution Heat Treatment）：

• 目的：将合金元素均匀地溶解在铝基体中，为时效处理做好准备。

• 过程：将铝合金加热到较高的固溶温度（约450°C至550°C），保持一段时间，然后迅速冷却（如水冷）。

• 效果：提高材料的塑性和延展性。

• 时效处理（Aging Treatment）：

• 分为：自然时效和人工时效。

• 目的：促使合金元素在铝基体中析出强化相，提高材料的强度和硬度。

• 自然时效：在室温下进行，时间较长。

• 人工时效：在中等温度下加热（约100°C至200°C），保温数小时至几十小时。

• 效果：显著提升铝合金的机械性能。

• 淬火（Quenching）：

• 目的：快速冷却以保持固溶体结构并防止元素析出。

• 过程：在固溶处理后快速将铝合金冷却，一般使用水冷或油冷。

• 应用：保持材料的高强度和良好塑性。

• 正火（Normalizing）（不常用于铝合金）：

• 特点：与退火类似，但冷却速度稍快。

• 效果：细化晶粒，改善材料的机械性能。

• 回火（Tempering）：

• 目的：消除淬火引起的应力，提高韧性。

• 过程：在淬火后将铝合金加热至较低温度，保持一段时间后冷却。

• 效果：保持材料的硬度并提高韧性。

铝合金的热处理工艺包括退火、固溶处理、时效处理、淬火等，这些工艺可以优化材料的性能，如提高强度、硬度、韧性和耐腐蚀性等。根据具体应用需求，选择合适的热处理工艺至关重要。主要用到的时退火、固溶和时效热处理。下面就这些热处理工艺进行详细介绍：



回复和再结晶退火

 

回复退火: 晶格畸变将恢复，各种缺陷减少、组合，合金组织与结构向平衡态转化。回复不能完全释放冷变形储能。软化，加工硬化减弱，强度下降，塑性提高，但都不明显。

再结晶退火：再结晶从广义上讲包括回复（点缺陷，位错重布），再结晶（形核长大），晶粒长大三个阶段。主要指再结晶形核到再结晶完了。

根据加热时冷变形金属所发生过程的本质，这类退火可分为回复退火、消除内应力退火、再 结晶退火等；而根据退火软化程度，则可分为完全退火和不完全退火。根据退火温度高低，则可分为低温退火、中温退火和高温退火。

回复和再结晶的组织

均匀化退火

 

用于消除或减少铸态合金非平衡状态的热处理。其基本过程和主要目的是借助于高温时合金内部（固溶体）原子的扩散是铸锭晶内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改善复相合金中第二相的形状和分布，提高合金塑性，改善加工性能和最终使用性能

处理的对象：铸锭或铸件

工艺：加热→高温保温→缓冷

淬火-固溶处理

 

将金属合金从固态下的高温状态以过冷或过饱和形式固定到室温，或使高温相在冷却时转变成另一种晶体结构的亚稳状态。

针对铝合金等无同素异构转变合金， “无多型性转变的淬火”，又称为“固溶处理”。

目的：获取过饱和固溶体，为时效做准备。

淬火
 

• 淬火得到过饱和固溶体处于亚稳状态，有向低能转变的的趋势，这种转化是通过加热、保温时过饱和固溶体的分解来实现的。

• 淬火+时效，先后工序。淬火是时效前的工序，也可以是终态工序；时效则必须先进行淬火。

1）在室温随时间延长，强度升高

2）人工时效室温与强度的关系

• 时效时的性能变化：

冷时效：

较低温度下进行的时效，其硬度一开始迅速上升，达到一定值后恒定，冷时效温度越高，硬度上升愈快，能达到的硬度值越高，故可用提高时效温度的办法，缩短时效时间。冷时效主要形成G.P区

温时效：

较高的时效温度下进行，有孕育期，然后硬度迅速上升, 达到极值后随时间延长而下降。（过时效）温时效温度越高，硬度上升速度越快，但能达到的最大硬度值越低，越容易出现过时效。温时效析出的是过渡相与平衡相。

• 时效时引起硬度变化的因素：

1）固溶体的贫化

2）基体的回复与再结晶

3）新相的析出

• 时效硬化曲线：

 1)  初期:形成 G.P.区与母相保持共格关系，具有内应变强化效应，再加上切过强化效应而使硬度显著升高。随着时效时间的延长，G.P.区数量增多，硬度升高。当 G.P.区数量达到平衡值时硬度不再增加，出现平台。

2)  中期：析出的θ″相也与母相保持共格关系，内应变强化，位错线可以切过θ″相，故θ″相的析出使硬度和强度进一步升高，并随θ″相数量及尺寸的增加而增加。当θ″相粗化到位错线能够绕过时，随着颗粒尺寸和颗粒间距的增大，硬度开始下降，出现过时效。

3)  后期：析出θ′相时，与母相保持半共格关系，且形成后很快粗化到位错线可以绕过的尺寸，半共格关系很快被破坏，因此θ′相出现不久硬度即开始下降。θ相的析出只能导致硬度下降。 

• 时效工艺

1）单级时效

• 最简单普及的时效工艺，可以是自然时效，也可以是人工时效。大多时效到最大硬化状态，为消除应力、稳定组织和改善抗蚀性，也过时效。

• 固溶处理温度越高，固溶越快越完全，时效强化效果越明显，但需防止过烧。

• 自然时效后，塑性高，屈强比低，良好的冲击韧性和抗蚀性；人工时效则相反。

典型单级时效热处理工艺：

2）多级时效

• 多级时效能够弥补单级时效显微组织均匀差、耐蚀性不足等缺点。特别对Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu。

•  分级时效一般分为预时效和最终时效两个阶段，预时效温度小于G.P.区溶解温度，在合金中形成高密度G.P.区；最终时效在较高温度下进行，以预时效形成的G.P.区为核心析出均匀弥散的沉淀相。

典型多级时效热处理工艺：



回归现象

 

• 定义：时效合金在时效强化后，于平衡相或过渡相的固溶度曲线以下某一温度加热，时效硬化现象会立即消除，硬度基本上恢复到固溶处理状态的现象。硬铝回归现象：在加热250℃，保温20~60s时发生。

• 实质：通过时效形成的G.P区，在加热到稍高于G.P.区固溶度曲线的温度时，G.P.区发生溶解，而过渡相和平衡相由于保温时间过短来不及形成，再次快冷仍获得过饱和固溶体。合金回归后，再次进行时效，仍可重新产生硬化，但时效速度减慢。回归处理温度低于固溶处理温度→空位浓度低→原子扩散慢→时效速度慢

• 意义：当需要工件恢复塑性便于冷加工，或为避免淬火变形或开裂而不宜重新进行固溶处理时，可利用回归现象。

• 注意事项：

  (a) 回归温度高于初始时效温度；

（b）回归处理的加热时间一般很短，只要低温脱溶相完全溶解即可；

（c）回归过程，仅G.P区（Al-Cu还包括θ″相）重新溶解.



形变热处理
 

将塑性变形的形变强化与热处理时的时效强化相结合，使成形工艺与最终性能统一起来的一种综合方法。

低温形变热处理（形变时效）：

(1)淬火→冷（温）变形→人工时效

(2)淬火→ 自然时效→冷变形→人工时效

(3)淬火→ 人工时效→冷变形→人工时效

高温形变热处理：热变形→ 淬火→ 时效




4
常见的铝合金热处理缺陷



过热和过烧







原因：由于加热温度过高或加热时间过长，导致金属内部晶粒严重粗化，降低了材料的强度和韧性，难以恢复。

措施：严格控制加热温度和时间，确保使用精确的温度控制系统和定期校准设备。制定并遵循标准化的热处理工艺规程。

淬火开裂







原因：由于淬火冷却速率过快或不均匀，引起铝合金内部应力过大，导致裂纹的产生，尤其在厚壁或形状复杂的零件中较常见。

措施：选择合适的冷却介质和冷却方法，避免冷却速度过快。对于形状复杂或厚壁件，可采用分级淬火或预热淬火以减少应力。优化工件的形状设计，尽量避免应力集中区域。

时效过度







原因：过度时效会导致合金性能下降，表现为强度和硬度的减小。这种情况常出现在时效时间或温度超过工艺要求时。

措施：严格遵循时效处理的时间和温度要求，避免过时效。对工艺参数进行试验和调整，以确定最佳的时效方案。引入过程监控系统，实时监测温度和时间。

变形与翘曲







原因：由于热处理过程中温度变化或冷却不均，特别是在淬火时，容易导致零件的形状发生变形或翘曲，影响尺寸精度。

措施：在热处理前进行充分的夹具固定或使用支撑装置，以减少变形。优化工艺，如采用缓慢冷却或等温淬火等方法。必要时对关键部位进行应力消除处理。

腐蚀氧化







原因：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，将加剧铝制品的高温氧化。

特征：在金属表面形成气泡或在金属内形成空洞。

措施：在热处理过程中采用保护气氛，如氮气或氩气，或使用真空热处理设备以防止氧化。确保工件表面清洁，去除杂质和油污。热处理结束后迅速清洗或处理表面，以防止氧化。