第四节　铝和铝合金的强化处理

一、纯铝

铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。纯铝的密度为2700g/cm³，约为铁密度的35％。纯铝的强度虽然不高，但通过冷加工可使其提高一倍以上。而且可通过添加镁、锌、铜等合金元素强化。铝可以铸造，也可塑性加工，制成薄板、管材和细丝，还可以进行车、铣、镗、刨等机械加工。此外铝及铝合金的耐腐蚀性很强，其表面易生成一层致密、牢固的Al₂O₃保护膜，有很好的耐大气腐蚀和水腐蚀的能力，同时能抵抗多数酸和有机物的腐蚀。铝的导电、导热性能仅次于银、铜和金。铝呈银白色，表面反射性能力强，对白光的反射率达80％以上，因此可作为装饰材料应用。铝及其合金的这些优异特点使其在航空、建筑、汽车等工业中的应用极为广泛。

铝虽然储量很高，但由于其化学性质活泼，用传统方法很难冶炼，因此早期的铝制品十分昂贵，只有皇家贵族用得起。后来随着电力的广泛的应用，1886年法国的Heroult和美国的C.M.Hall研究出将氧化铝溶解在冰晶石（Na₃AlF₆）中电解的方法，这才使铝得以大规模生产，目前铝及铝合金成为仅次于钢铁的第二重要金属，遍布军事、航空、工业及民用等各个领域。

铝熔点658℃，纯铝中的主要杂质是Fe和Si，按其纯度可分为三类，见表4-15。纯铝的强度较低，一般不直接作为结构材料应用，其中3～4N的高纯铝可用于电解电容器的铝箔、照明灯的反光镜、超导体稳定化材料、整流器线材等。而5N以上的超高纯铝则主要用于阴极溅镀靶、集成电路配线及光电子存储媒体。

目前，世界上生产高纯铝的国家主要是中国、日本、挪威、俄罗斯等国家，所采用的提纯工艺主要有三层法与偏析法等。

二、铝合金

由于纯铝较软，须向铝中添加合金元素来提高材料的强度。通过冷变形加工硬化、固溶处理、时效及细化组织的方法来满足高强度大载荷零件的需求。铝合金一般分为形变铝合金和铸造铝合金两类，其中形变铝合金的主要成分是Al+Cu（Fe、Si、Mg、Mn），可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。铸铝合金基本上是Al-Cu、Al-Si、Al-Mg，三种铸铝合金都有共晶反应，故都有较好的流动性。可以用固溶淬火+时效来增加强度，但并不明显。

铝硅合金作为一种重要的铝合金，可用于制造低中强度的形状复杂的铸件，如盖板、电机壳、托架等，部分铝硅合金成分如表4-16所示。

硅含量较低时（比如0.7％），铝硅合金的延展性较好，常用来做变形合金；硅含量较高时（比如7％），铝硅合金熔体的填充性较好，常用来做铸造合金。在含硅量超过Al-Si共晶点（硅12.6％）的铝硅合金中，硅的颗粒含量高达14.5％～25％时，再加入一定量的Ni、Cu、Mg等元素能改善其综合力学性能。它们可用于汽车发动机中代替铸铁气缸而明显减轻重量。用作气缸的铝硅合金，可经过电化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点，其抗擦伤能力和抗磨损性得以明显改善。其中含硅量11％～13％的合金以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。

铝硅合金可用含钠的变质剂处理细小晶粒来提高强度，同时可采用热处理强化，具有自然时效能力，强度较高，塑性较好。合金的铸造性能优良，流动性好、线收缩小，热裂倾向低、气密性高，合金的耐蚀性高，焊接性好。其力学性能如表4-17所示。

铝铜合金也称硬铝合金，是一种重要的铝合金材料，它包括A-l Cu-Mg合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和Al-Cu-Mn合金等，具体化学成分如表4-18所示，铝铜合金可进行热处理时效强化，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能，因此铝铜合金是工业中应用广泛的金属结构材料之一。其力学性能如表4-19所示。

部分铝铜合金的焊接性能不良，焊接接头强度系数仅为母材的60％，而且耐蚀性不如大多数其他铝合金好，在一定条件下会产生晶间腐蚀。铝合金的热处理对于提高其强度有重要作用，以4％ Cu的铸造铝合金为例，该合金用途广泛，可采用固溶体处理（淬火）+时效处理，以得到较高的强度。温度要适当，淬火温度过低固溶的元素少，则时效作用不大，过高则晶界熔化损坏了组织性能。加入Zn是为形成Al₂Mg₃Zn₃，易溶解于Al中，增大时效作用。加入少许Ni可以提高200～300℃时的强度。当然，不是所有成分的铝合金都可以通过热处理进行强化的，如图4-6所示，只有成分在F点到D点的铝合金才可以热处理强化。该成分区域的铝合金一般采用的热处理工艺为淬火后时效处理。所谓时效处理（aging treatment）是把材料有意识地在室温或较高温度存放较长时间，使之产生性能变化的工艺过程。时效处理常见于金属材料的加工过程，不同领域时效处理的目的也不同，如在机械生产中，为了稳定铸件尺寸，常将铸件在室温下长期放置，然后才进行切削加工。这里所指的时效处理是指金属热处理工艺，合金工件经固溶处理后，在较高的温度或室温放置，其性能随时间而变化的热处理工艺。

时效处理虽然在铁碳合金也会出现，但在以铝合金为代表的有色合金中，时效作用更为显著。德国材料科学家A.维尔姆也是在研究铝合金时最早发现时效作用的。一般来讲，合金经过时效处理后，硬度和强度有所增加，塑性、韧性和内应力则有所降低。若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。若采用将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的工艺，称为人工时效处理。人工时效温度高，强化出现早，但不如自然时效强化作用大。

铝铜合金中的Cu的百分含量过低，时效强化作用小，含Fe达到1％，则因生成Cu₂FeAl₃不溶解的粒子，也减少时效作用，Si在Al-Cu合金中则无明显影响时效。早期的铝铜合金的时效强化理论是认为在铝铜固溶体的滑移面上沉积出CuAl₂粒子，阻碍了滑移，实际上显微镜看不见沉淀物，此外因Al的原子半径比铜原子半径大，而且二者形成取代式固溶体，当Cu原子溶入Al的晶格时，Al的晶格应变小，时效后铝的晶格应变大，实际上取Al-Cu合金粉末（时效之后的）经X光衍射，Al的晶格并未变大，只有在较高温度的时效后，才发现Al的晶格尺寸增大。

Al+4％Cu合金经500℃固溶水淬，然后经130℃时效处理其硬度在12h达到91，后随时间延长至40h，可达108。4％铝铜合金固溶淬火之后，在20℃以上时效时，铜原子向铝晶体的（100）面上聚集，此时显微镜观察不到，硬度也无增加。随时间的延长有沉积的趋向，硬度可有增加，当有α-CuAl₂粒子沉积时，硬度大增，此时显微镜观察仍无法明显观察得到。只有当沉淀长大到可用显微镜明显观察到时，此时合金的硬度又略有下降。

铸造铝硅合金常用的牌号包括：ZL101、102、103、104（浇铸温度720～780℃）。其中以101为例，其化学成分为：Si 6.5％～7.5％、Mg 0.25％～0.45％、余为Al；允许杂质：Fe<0.2％、Mn<0.35％、Cu<0.1％、Zn<0.3％、Pb<0.05％、Sn<0.01％，总和<1％。其熔炼时所采用的试剂如表4-20所示。

铝合金的热处理类别：

T1不热处理　　T2退火处理

T4固溶淬火　　T6固溶淬火+高温时效

T5固溶处理+不完全回火　　T7固溶淬火+低温回火（稳定化处理）

T8固溶处理+完全回火（软化处理）

以ZL101铸件的具体热处理参数为：T6，535℃，保温2～6h，淬入热水中（60～100℃）固溶处理，200℃，保温3～5h，空气冷却时效处理。经处理后得到样品后σ_b为220MPa，δ为1％，HB为60。

变质剂是金属在冶炼过程中加入的可以改善合金结晶的添加剂。如向硅铝熔液中加入含钠的变质剂之后，晶粒变细，强度和韧性增加。从表面张力上看，铝的晶粒长得又快又大，硅的晶粒长得又慢又小。晶粒长得快慢由热导率和潜热决定，Al的热导率和潜热均大于Si，因此使铝的晶粒长得快而大。当加含钠的变质剂时，使铝液的表面张力加大，因而使铝晶粒和硅晶粒之间的夹角增大，以致最终把硅的晶体包围起来，阻止了硅晶粒的长大。从而改善了合金的组织结构与力学性能。这种理论也可应用于灰铸铁，当加镁处理后，奥氏体晶粒包围了石墨，使石墨呈球形生长。

除了加含钠的变质剂外，加入钛与硼也可使组织细化，如加入钛后合金的晶粒如表4-21所示。

硼也可使铝铜合金晶粒得到细化，使Al液由675℃过热，然后在760℃浇铸的工艺条件下，加入硼0.04％后，表层为球状晶粒，通常认为AlB₂成为铝的结晶核心，它在冷却过程形成的金属间化合物。但是，不可将铝液过热，当760℃浇铸时，则硼的细化作用，只限于铸件表层（指加入B 0.02％时）。此AlB₂金属间化合物的原子间距在760℃以上时为3.0?，和铝晶体的原子间距（2.8?）相似，故AlB₂可以成为Al的结晶核心。

向纯铝中加入Ti（Ti的来源为K₂TiF₆）0.08％～0.13％，向铝镁合金加入Ti 0.11％～0.18％（含镁1％～10％），向铝铜合金加入硼0.3％～0.5％（实得B为0.055％～0.17％），含Cu 4％、8％、10％的合金中，均可使合金的晶粒细化（表4-22）。

纯铝具有优秀的抗腐蚀性能，但为提高其力学性能而加入合金元素后对合金的抗腐蚀性产生影响。以铝铜合金为例，在大气环境下，大气中含有氧气、湿度、温度变化和污染物等腐蚀成分和腐蚀因素。盐雾腐蚀就是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。盐雾对金属材料表面的腐蚀是由于含有的氯离子穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应引起的。同时，氯离子含有一定的水合能，易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝排挤并取代氯化层中的氧，把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活泼表面。盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。它分为两大类，一类为天然环境暴露试验；另一类为人工加速模拟盐雾环境试验。人工模拟盐雾环境试验是利用盐雾试验箱。也可采用盐溶液浸泡后测试强度损失，或者测试断裂时间的方法进行对比，如表4-23和表4-24所示。

Al-Mg合金作为重要的铝合金主要牌号包括ZL301、ZL303和ZL305等，其化学成分如表4-25所示，主要优点是由于Mg的加入而具有优良的力学性能，高的强度、好的延性和韧性（如表4-26所示），耐腐蚀性能好和切削加工性能好。主要缺点是铸造性能差，特别是熔炼时容易氧化形成氧化夹渣，需要采用特殊的熔炼工艺。

为了便于工业生产参考，将对不同铸造铝合金的热处理工艺参数列于表4-27中。