1、金属热处理,铝合金及其热处理,铝及铝合金概述,()用量仅次于钢,地壳中储量第一; ()铝的性能:力学、电学; ()铝与航空工业; ()人们一直在努力提高铝合金的性能,例如日本的超级铝项目,提高铝合金的纯度,使用变形热处理和粉末冶金工艺提高铝合金的性能,等等。,铝的电解生产技术,铝合金的消费量是仅次于钢铁的金属材料。门窗、铝灌、汽车,等等。 铝代替合金钢后,可减少Cu、Cr、Ni等元素的消耗。 铝生产的问题:耗能大,每吨铝耗能是钢的4.5倍;污染物排放大,如排放CO2是钢的7-9倍。,加入NaF 、Al2F6 、LiF 、CaF2 、MgF2 调节电解质温度,降低900以下,每降100,节电1.5kw.h。 电解槽超大型化发展,电解铝示意图,CO2,HF,C,铝电解烟气净化,阳极消耗,生成CO2。电解槽中还经常挥发出气态氟化物(HF)。 目前常用的净化烟气的方法:干法净化,利用氧化铝吸附氟化物。但干法净化法无法吸收二氧化碳。,铝电解用新材料,(1)惰性阴极材料 传统电解槽的问题:铝液与炭块润湿性不好,不能有效接触,影响电流效率。在电解过程中实际上是铝液与炭块一起构成阴极。在电磁力的作用下
2、,铝液不断波动,电能耗增加。 另外,冰晶石和铝液渗入炭块,使之膨胀破坏。,可润湿惰性阴极的优点,(1)新型槽的阴极上不需要厚的铝液层,磁场的作用几乎降到零,铝液面保持平整; (2)极距大为降低; (3)极距降低减少电能消耗,极距降低1cm,可节电1000kWh/t(Al); (4)延长电解槽的使用寿命。,TiB2惰性阴极材料,目前认为,TIB2是唯一在铝液中溶解度很小、导电率高、能被铝液润湿的材料。 可润湿阴极的优点:极距降低1厘米,可 节电1000kwh/t(Al)。,硼化钛涂层及硼化钛复合材料阴极,(1)硼化钛涂层阴极 涂料成分:TiB230%60%,炭素填料18 40,有机树脂2035。 涂层工艺:刷涂。 涂层效果:涂层对铝液润湿性好,可阻挡电 解质对炭块的渗透,延长阴极使用寿命;降 低电阻率50,提高电流密度,降低能耗。,(2)硼化钛复合阴极 材料成分:TiB2粉、炭素填料、粘结 剂。制备工艺:炭素块表面预先处理, TiB2复合粉料置于炭素块表面,之后压 制成形,最后烧结。 使用效果:阴极润湿性好,电耗降低 188kWh/t(Al),电解槽寿命提高2年。,惰性阳极材料,惰性铝电
3、解用阳极材料自上个世纪50年代开始研究,几经起伏,主要困难是没有合适的电极材料。 惰性阳极材料必须具备的性能: (1)1000以上耐熔融氟化物的侵蚀; (2)良好的导电性; (3)良好的抗热振性。,惰性阳极材料的具体性能要求,(1)导电率大于现有炭阳极; (2)腐蚀率小于100mm/n,寿命大于5年; (3)铝质量等于或优于现有铝质量,不含Be、Cr等有害环境的元素。,使用惰性阳极的意义,(1)阳极无CO2排出,只有O2; (2)阳极不消耗,无需更换,电解槽全密封; (3)能耗下降423。,有希望的惰性阳极材料,金属氧化物陶瓷: 金属阳极表面CeO2涂层 NiO-NiFe2O4+CuAg,铝的合金化,纯铝的强度低,通过添加合金元素提高铝的强度。 主要强化方法:固溶强化,沉淀强化。 Zn、Ag、Mg在铝中的溶解度大于10%; Zn、Ag固溶效果差。 Cu、Li、Mn、Si在铝中的溶解度大于1%; Al-Mg合金固溶强化效果好,防锈铝合金; Al-Cu耐热性好; Al-Si铸造性能好。,沉淀强化,获得明显沉淀强化效果的条件: ()合金元素溶解度高,随温度变化明显; ()析出相均匀、弥散,与
4、基体之间形成共格或半共格的关系时强化效果明显。,典型的沉淀硬化铝合金,Al-Cu合金是唯一获得明显沉淀强化效果条件的二元铝合金。 多数沉淀强化铝合金组元数都在三元以上,为的是形成新的强化相。 Al-Zn-Mg,强化相:MgZn2、Al2Mg3Zn3 Al-Mg-Si,强化相:Mg2Si Al-Cu-Mg,强化相:CuAl2 、Al2CuMg,铝合金的细晶强化,细化晶粒、细化亚结构能使铝合金的强度提高约1030%。 为了使制品在热处理后保留未再结晶的纤维状组织,通常加入少量过渡族元素(Mn、Cr、Zr、Ti)提高再结晶温度。 晶粒直径为微米级的细晶铝合金可产生超塑性。例如Al-5.8Mg-0.37Zr-0.16Mn,伸长200%不发生晶粒长大。,铝合金的热处理原理,铝合金的基本热处理形式是退火与淬火时效。 退火的主要目的是获得稳定的组织或优良的工艺塑性。 时效的目的主要是提高铝合金的强度。,Al-Cu合金的时效,Al-Cu合金放入干冰(-78)中固溶处理,抗拉强度为200MPa左右,长期在干冰中存放,性能无变化。 从干冰中取出在室温存放,小时后开始硬化,放置天硬度达到最大值。 50存放,
5、天后硬度达到最大值。,自然时效与人工时效的概念,自然时效:将淬火得到的过饱和固溶体置于室温或低于100温度的环境下,由于停留时间的增加硬度和强度增高的现象,称为自然时效。 人工时效:100以上温度造成的时效称为人工时效。,Al-Cu合金的时效过程,()GP区的形成 为什么先形成GP区? GP区无独立的晶体结构,与母相完全共格,在与GP区垂直的晶向上产生弹性收缩。 GP区厚:几个原子。 直径:10nm。 GP区间距:2-4nm。,AlCu2,5.65%,Al-Cu合金相图,GP区模型,Cu原子在Al的100面上偏聚,()生成 时效温度升高, GP区直径急剧长大。Cu、Al原子逐渐形成规则排列,形成正方有序结构。a=b=4.04(Al:4.05)。 c轴7.68,比Al晶格常数的倍(8.08)略小,c轴产生4%的错配度,晶格畸变增大,强度升高。,()的生成 20012小时时效,生成。正方点阵a=b=4.04, c轴5.80,名义成分CuAl2,与基体局部失去共格,应力场减小。合金硬度、强度下降,开始进入过时效阶段。,Al-Cu合金中、 及相的晶体结构,()相生成 进一步提高温度和延长时效时
6、间, 转变成(CuAl2)。 相属于体心正方点阵,与基体失去共格关系,合金强度和硬度明显降低。 过饱和 GP区 过渡相 过渡相 (CuAl2) 有时上面几相可能同时存在。,铸造铝合金,铝合金是最重要的工业结构材料之一,铸造铝硅合金是在航空航天、机械、电子等工业中大量应用的重要结构材料,凝固组织特别是共晶硅的生长形态对其性能具有决定性影响,凝固过程控制、细化凝固组织、改变共晶组织生长形态,是控制铸造铝硅合金性能的重要措施。,主要的铸造铝合金,()Al-Si、Al-Si-Mg系,强度中等,常温使用,适合铸造复杂形状零件,常用。 ()Al-Cu,热强性好,工作温度高,铸造工艺性好,抗腐蚀性较低。 ()Al-Mg,强度高,切削性能好,耐蚀性、铸造性较差。 ()Al-Re,耐热性好,铸造工艺性好,室温强度低。 ()Al-Zn,有自淬火性,可直接自然时效。比重大,耐热性较差。,Al-Mg二元合金相图,铸造铝合金的编号,铸造铝合金采用“铸铝”二字汉语拼音字头ZL表示,其后有三个数字,第一个代表合金系,其余为合金顺序号。 例如:ZL102,表示Al-Si系第一号铸铝。,Al-Si系合金的牌号及主要成分
7、,Al-Si合金相图,Al-Si系合金的铸造及其变质处理,Al-Si二元合金共晶体中,硅呈粗大针状,严重影响合金的性能,不能作为工业合金使用。直至1921年发现了变质处理方法,改变了硅的形状,提高了合金的性能,Al-Si合金才得到广泛应用。一般硅大于6%的铸造铝合金都要求在合金精炼后进行变质处理。,未变质的(a)和变质处理后的(b) Al-12%Si合金组织 500,(a),(b),常用变质剂及变质处理方法,二元变质剂:2/3NaF+1/3NaCl 三元变质剂:25%NaF+62%NaCl+13%KCl 变质处理的方法是:将预热过的变质剂撒入合金液面上,保持1012分钟至变质剂熔化。此时应不断地打碎硬壳使气体排除,并将碎硬壳压入合金液面下约100150毫米,时间约35分钟。,变质处理的机理,关于变质机理,目前尚无完全统一解释,比较流行的是吸附理论:硅在铝内的晶体具有大量孪晶,硅晶体是以孪晶的方向生长的,最后形成粗大的针状形态。加钠以后,形成大量(NaAl)Si2的结晶核心与铝形成共晶,使共晶成分产生偏移。同时,钠破坏了孪晶的角度,使硅的晶体不易生长,此外,硅晶体与铝的界面上也分布有钠,阻碍了硅的生长,因而硅以球状的方式长大。,Al-Si合金的热处理:,虽然硅在固溶体中随温度下降有明显的固溶度变化,但ZL-102合金热处理强化效果不大。这是因为硅的沉淀和集聚速度很快,甚至在淬火过程中都可能发生固溶体的分解,析出硅质点,而不形成共格或半共格的过渡相。因此生产上ZL-102合金一般只进行退火:30010,保温2-4小时空冷或随炉冷却。其典型性能为:b=160Mpa,0.2=90MPa ,=5.0%,HB=50。,除了ZL-102,其它牌号的铝合金在使用前一般都需进行淬火和时效处理,淬火温度一般在515-535,保温时间2-6小时,淬火冷却介质为20-100的水。时效处理加热温度一般为150-300,加热时间为2-5小时,一般采用空冷。,
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