在對(duì)鋁和鋁合金進(jìn)行熱處理時(shí)，一定要了解面臨著什么樣的問(wèn)題，以及為什么工藝波動(dòng)和設(shè)備偏差的控制至關(guān)重要。為了在這方面對(duì)熱處理人員提供幫助，筆者歸納了報(bào)告最多的工藝問(wèn)題以及對(duì)如何解決的一些建議。讓我們更進(jìn)一步討論。
熱處理相關(guān)問(wèn)題
對(duì)于鋁的熱處理，報(bào)告最多的問(wèn)題包括：
? 部件擺放不當(dāng)——這會(huì)導(dǎo)致部件變形，很大一部分原因是淬火劑無(wú)法以足夠快的速度傳走熱量以獲得期望的機(jī)械性能。擺放不當(dāng)還可能引起熱變形(因?yàn)殇X的蠕變強(qiáng)度不夠大)。正確的擺放(圖1)能夠避免這些問(wèn)題。
圖1. 正確的部件擺放
? 加熱/升溫過(guò)快——這會(huì)引起熱變形，應(yīng)當(dāng)防止出現(xiàn)。正確地?cái)[放部件有助于均勻地加熱。
? 殘余應(yīng)力水平高于預(yù)期——熱處理不僅改變機(jī)械性能，而且直接影響殘余應(yīng)力水平。以下是一些可能的原因：淬火時(shí)(包括鑄件凝固后冷卻時(shí))表面和內(nèi)部的冷卻速度相差較大；升溫速度不合適；中間步驟發(fā)生溫度變化；等等。殘余應(yīng)力同冷卻速度的(較大)差異、部件的截面厚度、截面尺寸的突然變化和材料的強(qiáng)度等因素有關(guān)。一定要記住，淬火引起的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他工藝(包括鑄造)引起的應(yīng)力。
? 時(shí)間/溫度/淬火參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)——它們將導(dǎo)致不同部件之間和不同批次之間機(jī)械和/或物理性能的偏差。原因包括部件移送時(shí)間太長(zhǎng)、淬火不當(dāng)(過(guò)慢)、加熱過(guò)度、加熱不足或沉淀硬化過(guò)程中時(shí)間-溫度參數(shù)發(fā)生改變。比如，在時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和溫度過(guò)高的情況下會(huì)析出較大的顆粒物(沉淀物)。
? 加熱過(guò)度——這時(shí)容易產(chǎn)生初熔或共晶熔化(圖2)。舉例來(lái)說(shuō)，固溶熱處理的溫度接近許多鋁合金的熔點(diǎn)(尤其是2xxx系列，往往只比它們的熔點(diǎn)低幾度)。為了促進(jìn)固態(tài)合金元素的溶解，需要適當(dāng)?shù)臏囟取?/span>
圖2. 鋁鎂硅合金(6xxx系列)的局部熔化(“玫瑰花”形態(tài))
? 加熱不足——這會(huì)由于過(guò)飽和度不足而損失機(jī)械性能。如果時(shí)效溫度太低和/或時(shí)效時(shí)間太短，就不容易形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)(GP區(qū))，從而造成時(shí)效后強(qiáng)度過(guò)低。
? 淬火不充分引起變形——這方面的問(wèn)題/難處在于部件進(jìn)入淬火劑的動(dòng)作，特別是在必須采用人工淬火時(shí)。部件一定要平穩(wěn)地進(jìn)入淬火劑。(用熱處理人員的行話說(shuō)，要避免讓部件“拍打”淬火劑。)整個(gè)部件均勻傳熱，能夠防止出現(xiàn)冷卻差異和應(yīng)變差異。水平方向上的傳熱變化通常比垂直方向上的變化更為不利。使淬火劑保持適當(dāng)?shù)臏囟龋刂扑纳郎兀_保它的均勻流動(dòng)，選擇最合適的淬火劑(比如空氣、水或聚合物)，等等，都非常重要。比如，針對(duì)一項(xiàng)具體應(yīng)用的需要，可以通過(guò)改變濃度、溫度和攪拌強(qiáng)度而調(diào)整聚合物的冷卻速度，從而保證泡核沸騰階段的均勻傳熱和淬火速度。淬火劑的維護(hù)也很重要。對(duì)形狀復(fù)雜的部件，比如鍛件、鑄件、沖擊擠壓件和使用薄板制成的部件，可以采用較低的淬火速度以改善變形行為。
? 表面起皮/高溫氧化——《Industrial Heating》2016年2月版的熱處理問(wèn)題診斷專欄“高溫氧化 –案例研究”詳細(xì)討論了這個(gè)問(wèn)題。
? 時(shí)效過(guò)度——這可能會(huì)引起機(jī)械性能損失。如果時(shí)效溫度太高和/或時(shí)效時(shí)間太長(zhǎng)，過(guò)飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸會(huì)增大，造成時(shí)效后強(qiáng)度指標(biāo)降低。
? 時(shí)效不足——這可能也會(huì)造成機(jī)械性能損失。
? 自然時(shí)效不當(dāng)——自然時(shí)效的時(shí)間長(zhǎng)短不一，2xxx系列合金約為5天，其他合金約為30天。6xxx和7xxx系列在室溫下較不穩(wěn)定，機(jī)械性能的變化會(huì)持續(xù)很多年。有一些合金在經(jīng)過(guò)-18°C(-1?F)或以下的低溫處理后，自然時(shí)效會(huì)被抑制或推遲幾天。通常的作法是，在通過(guò)時(shí)效改變材料性能之前，已經(jīng)完成成形、矯直和沖壓。比如，低溫處理就是2014-T4鉚釘為保持良好的鉚接性能而經(jīng)常采取的措施。
? 人工時(shí)效不當(dāng)——人工時(shí)效(也稱為沉淀熱處理)是一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)、溫度較低的工藝過(guò)程。溫度控制至關(guān)重要，必須嚴(yán)格保證±6?C(±10?F)的溫度均勻性。溫度均勻性的最佳目標(biāo)應(yīng)為±4?C(±7?F)。
? 保溫時(shí)間不夠——后果是達(dá)不到期望的機(jī)械性能。時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致過(guò)飽和度不足，而時(shí)間太長(zhǎng)容易使部件產(chǎn)生變形。
? 溫度均勻性不好——這會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到甚至改變機(jī)械性能。工藝溫度均勻性的典型要求是±6?C(±10?F)，而大多數(shù)航空應(yīng)用則希望達(dá)到±3?C(±5?F)。
? 固溶處理后冷加工不當(dāng)——這通常是因?yàn)閷?duì)被處理合金的反應(yīng)缺乏了解。舉例來(lái)說(shuō)，淬火態(tài)2xxx系列合金的冷加工會(huì)明顯加大它對(duì)后續(xù)沉淀處理的反應(yīng)程度。
? 固溶熱處理產(chǎn)品退火時(shí)冷卻速度不夠——最大冷卻速度必須保持在每小時(shí)20?C(40?F)，直至溫度降低到290?C(555?F)。在這個(gè)溫度以下的冷卻速度不太重要。
鑄造相關(guān)問(wèn)題
順便要提到的是，出廠狀態(tài)的鋁錠有很多缺陷都會(huì)影響到后續(xù)的熱處理和機(jī)械性能，其中包括：
? 孔洞/中心疏松——原因是補(bǔ)縮不足、氫偏析或表面氧化層(往往是因?yàn)闅馀?
? 夾雜物——以碳化物、硼化物和氧化物等形式存在的鑄造雜質(zhì)(由于晶粒細(xì)化劑或氣泡)
? 宏觀或微觀偏析——溶質(zhì)成分及高硬度的金屬間化合物顆粒和第二相顆粒分布不均勻。適當(dāng)?shù)木|(zhì)化有助于解決這個(gè)問(wèn)題。
? 變形/收縮——原因是冷卻引起的應(yīng)力/應(yīng)變
? 熱撕裂——主要由于補(bǔ)縮問(wèn)題而造成
? 為獲得更高機(jī)械性能而涉及的軋制(薄板和厚板)或延展(擠壓件、棒料和板材)問(wèn)題。不過(guò)，如果需要更高的性能水平，應(yīng)避免進(jìn)行二次熱處理。
其他相關(guān)問(wèn)題
還有其他一些問(wèn)題同熱處理工藝有密切關(guān)系或受其影響，比如：
? 金屬處理造成的破損導(dǎo)致鋁表面由于過(guò)度的脫氧蝕刻或清洗操作而產(chǎn)生點(diǎn)蝕或嚴(yán)重的(晶間)腐蝕。改善這些后處理操作的控制，能夠避免這個(gè)問(wèn)題。
? 焊接溫度過(guò)高引起機(jī)械性能(比如抗拉強(qiáng)度)下降。控制焊接的順序、方法和接頭設(shè)計(jì)能夠帶來(lái)明顯改善。
? 焊接或氫脆消除烘烤等操作時(shí)的過(guò)多熱量使回火狀態(tài)改變并造成破壞。
? 機(jī)加工不當(dāng)使部件損壞。人們普遍認(rèn)為，能夠提高硬度的熱處理有助于改善鋁合金的機(jī)加工性能。不過(guò)，一定要知道的是，切削力只是諸多因素(比如刀具狀態(tài)、刀具壽命、表面光潔度、切削能和切屑形成模式)之一。舉例來(lái)說(shuō)，6061鋁合金的時(shí)效對(duì)低速下的切削力有影響，但在高速下則無(wú)影響。
結(jié)語(yǔ)
大多數(shù)鋁熱處理相關(guān)問(wèn)題的解決方法是：了解什么原因會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)；確定合適的作法和步驟；在執(zhí)行這些步驟時(shí)保持一致性(和重現(xiàn)性)；盡可能實(shí)時(shí)進(jìn)行工藝監(jiān)測(cè)；保留熱處理爐操作記錄和時(shí)間-溫度曲線以確認(rèn)預(yù)定操作真正得到執(zhí)行。
最后，要保證采用合適的測(cè)試方法來(lái)確認(rèn)，部件是否符合要求，能否在實(shí)際使用中可靠地發(fā)揮應(yīng)有的作用。熱處理人員以前都知道這些要求，但它們對(duì)鋁和鋁合金的熱處理要比在其他方面更加關(guān)鍵。
文章來(lái)源：本文刊登于《IndustrialHeating》中文版雜志2023年12月刊
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