第四節　鋁和鋁合金的強化處理

一、純鋁

鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。純鋁的密度為2700g/cm³，約為鐵密度的35％。純鋁的強度雖然不高，但通過冷加工可使其提高一倍以上。而且可通過添加鎂、鋅、銅等合金元素強化。鋁可以鑄造，也可塑性加工，制成薄板、管材和細絲，還可以進行車、銑、鏜、刨等機械加工。此外鋁及鋁合金的耐腐蝕性很強，其表面易生成一層致密、牢固的Al₂O₃保護膜，有很好的耐大氣腐蝕和水腐蝕的能力，同時能抵抗多數酸和有機物的腐蝕。鋁的導電、導熱性能僅次于銀、銅和金。鋁呈銀白色，表面反射性能力強，對白光的反射率達80％以上，因此可作為裝飾材料應用。鋁及其合金的這些優異特點使其在航空、建筑、汽車等工業中的應用極為廣泛。

鋁雖然儲量很高，但由于其化學性質活潑，用傳統方法很難冶煉，因此早期的鋁制品十分昂貴，只有皇家貴族用得起。后來隨著電力的廣泛的應用，1886年法國的Heroult和美國的C.M.Hall研究出將氧化鋁溶解在冰晶石（Na₃AlF₆）中電解的方法，這才使鋁得以大規模生產，目前鋁及鋁合金成為僅次于鋼鐵的第二重要金屬，遍布軍事、航空、工業及民用等各個領域。

鋁熔點658℃，純鋁中的主要雜質是Fe和Si，按其純度可分為三類，見表4-15。純鋁的強度較低，一般不直接作為結構材料應用，其中3～4N的高純鋁可用于電解電容器的鋁箔、照明燈的反光鏡、超導體穩定化材料、整流器線材等。而5N以上的超高純鋁則主要用于陰極濺鍍靶、集成電路配線及光電子存儲媒體。

目前，世界上生產高純鋁的國家主要是中國、日本、挪威、俄羅斯等國家，所采用的提純工藝主要有三層法與偏析法等。

二、鋁合金

由于純鋁較軟，須向鋁中添加合金元素來提高材料的強度。通過冷變形加工硬化、固溶處理、時效及細化組織的方法來滿足高強度大載荷零件的需求。鋁合金一般分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩類，其中形變鋁合金的主要成分是Al+Cu（Fe、Si、Mg、Mn），可分為防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛造鋁合金。鑄鋁合金基本上是Al-Cu、Al-Si、Al-Mg，三種鑄鋁合金都有共晶反應，故都有較好的流動性。可以用固溶淬火+時效來增加強度，但并不明顯。

鋁硅合金作為一種重要的鋁合金，可用于制造低中強度的形狀復雜的鑄件，如蓋板、電機殼、托架等，部分鋁硅合金成分如表4-16所示。

硅含量較低時（比如0.7％），鋁硅合金的延展性較好，常用來做變形合金；硅含量較高時（比如7％），鋁硅合金熔體的填充性較好，常用來做鑄造合金。在含硅量超過Al-Si共晶點（硅12.6％）的鋁硅合金中，硅的顆粒含量高達14.5％～25％時，再加入一定量的Ni、Cu、Mg等元素能改善其綜合力學性能。它們可用于汽車發動機中代替鑄鐵氣缸而明顯減輕重量。用作氣缸的鋁硅合金，可經過電化學處理以浸蝕表層鋁而在缸內壁保留鑲嵌于基體的初生硅質點，其抗擦傷能力和抗磨損性得以明顯改善。其中含硅量11％～13％的合金以其質輕、低膨脹系數和高耐蝕性能等特點而成為最佳的活塞材料之一。

鋁硅合金可用含鈉的變質劑處理細小晶粒來提高強度，同時可采用熱處理強化，具有自然時效能力，強度較高，塑性較好。合金的鑄造性能優良，流動性好、線收縮小，熱裂傾向低、氣密性高，合金的耐蝕性高，焊接性好。其力學性能如表4-17所示。

鋁銅合金也稱硬鋁合金，是一種重要的鋁合金材料，它包括A-l Cu-Mg合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和Al-Cu-Mn合金等，具體化學成分如表4-18所示，鋁銅合金可進行熱處理時效強化，具有很高的室溫強度及良好的高溫和超低溫性能，因此鋁銅合金是工業中應用廣泛的金屬結構材料之一。其力學性能如表4-19所示。

部分鋁銅合金的焊接性能不良，焊接接頭強度系數僅為母材的60％，而且耐蝕性不如大多數其他鋁合金好，在一定條件下會產生晶間腐蝕。鋁合金的熱處理對于提高其強度有重要作用，以4％ Cu的鑄造鋁合金為例，該合金用途廣泛，可采用固溶體處理（淬火）+時效處理，以得到較高的強度。溫度要適當，淬火溫度過低固溶的元素少，則時效作用不大，過高則晶界熔化損壞了組織性能。加入Zn是為形成Al₂Mg₃Zn₃，易溶解于Al中，增大時效作用。加入少許Ni可以提高200～300℃時的強度。當然，不是所有成分的鋁合金都可以通過熱處理進行強化的，如圖4-6所示，只有成分在F點到D點的鋁合金才可以熱處理強化。該成分區域的鋁合金一般采用的熱處理工藝為淬火后時效處理。所謂時效處理（aging treatment）是把材料有意識地在室溫或較高溫度存放較長時間，使之產生性能變化的工藝過程。時效處理常見于金屬材料的加工過程，不同領域時效處理的目的也不同，如在機械生產中，為了穩定鑄件尺寸，常將鑄件在室溫下長期放置，然后才進行切削加工。這里所指的時效處理是指金屬熱處理工藝，合金工件經固溶處理后，在較高的溫度或室溫放置，其性能隨時間而變化的熱處理工藝。

時效處理雖然在鐵碳合金也會出現，但在以鋁合金為代表的有色合金中，時效作用更為顯著。德國材料科學家A.維爾姆也是在研究鋁合金時最早發現時效作用的。一般來講，合金經過時效處理后，硬度和強度有所增加，塑性、韌性和內應力則有所降低。若將工件放置在室溫或自然條件下長時間存放而發生的時效現象，稱為自然時效處理。若采用將工件加熱到較高溫度，并較短時間進行時效處理的工藝，稱為人工時效處理。人工時效溫度高，強化出現早，但不如自然時效強化作用大。

鋁銅合金中的Cu的百分含量過低，時效強化作用小，含Fe達到1％，則因生成Cu₂FeAl₃不溶解的粒子，也減少時效作用，Si在Al-Cu合金中則無明顯影響時效。早期的鋁銅合金的時效強化理論是認為在鋁銅固溶體的滑移面上沉積出CuAl₂粒子，阻礙了滑移，實際上顯微鏡看不見沉淀物，此外因Al的原子半徑比銅原子半徑大，而且二者形成取代式固溶體，當Cu原子溶入Al的晶格時，Al的晶格應變小，時效后鋁的晶格應變大，實際上取Al-Cu合金粉末（時效之后的）經X光衍射，Al的晶格并未變大，只有在較高溫度的時效后，才發現Al的晶格尺寸增大。

Al+4％Cu合金經500℃固溶水淬，然后經130℃時效處理其硬度在12h達到91，后隨時間延長至40h，可達108。4％鋁銅合金固溶淬火之后，在20℃以上時效時，銅原子向鋁晶體的（100）面上聚集，此時顯微鏡觀察不到，硬度也無增加。隨時間的延長有沉積的趨向，硬度可有增加，當有α-CuAl₂粒子沉積時，硬度大增，此時顯微鏡觀察仍無法明顯觀察得到。只有當沉淀長大到可用顯微鏡明顯觀察到時，此時合金的硬度又略有下降。

鑄造鋁硅合金常用的牌號包括：ZL101、102、103、104（澆鑄溫度720～780℃）。其中以101為例，其化學成分為：Si 6.5％～7.5％、Mg 0.25％～0.45％、余為Al；允許雜質：Fe<0.2％、Mn<0.35％、Cu<0.1％、Zn<0.3％、Pb<0.05％、Sn<0.01％，總和<1％。其熔煉時所采用的試劑如表4-20所示。

鋁合金的熱處理類別：

T1不熱處理　　T2退火處理

T4固溶淬火　　T6固溶淬火+高溫時效

T5固溶處理+不完全回火　　T7固溶淬火+低溫回火（穩定化處理）

T8固溶處理+完全回火（軟化處理）

以ZL101鑄件的具體熱處理參數為：T6，535℃，保溫2～6h，淬入熱水中（60～100℃）固溶處理，200℃，保溫3～5h，空氣冷卻時效處理。經處理后得到樣品后σ_b為220MPa，δ為1％，HB為60。

變質劑是金屬在冶煉過程中加入的可以改善合金結晶的添加劑。如向硅鋁熔液中加入含鈉的變質劑之后，晶粒變細，強度和韌性增加。從表面張力上看，鋁的晶粒長得又快又大，硅的晶粒長得又慢又小。晶粒長得快慢由熱導率和潛熱決定，Al的熱導率和潛熱均大于Si，因此使鋁的晶粒長得快而大。當加含鈉的變質劑時，使鋁液的表面張力加大，因而使鋁晶粒和硅晶粒之間的夾角增大，以致最終把硅的晶體包圍起來，阻止了硅晶粒的長大。從而改善了合金的組織結構與力學性能。這種理論也可應用于灰鑄鐵，當加鎂處理后，奧氏體晶粒包圍了石墨，使石墨呈球形生長。

除了加含鈉的變質劑外，加入鈦與硼也可使組織細化，如加入鈦后合金的晶粒如表4-21所示。

硼也可使鋁銅合金晶粒得到細化，使Al液由675℃過熱，然后在760℃澆鑄的工藝條件下，加入硼0.04％后，表層為球狀晶粒，通常認為AlB₂成為鋁的結晶核心，它在冷卻過程形成的金屬間化合物。但是，不可將鋁液過熱，當760℃澆鑄時，則硼的細化作用，只限于鑄件表層（指加入B 0.02％時）。此AlB₂金屬間化合物的原子間距在760℃以上時為3.0?，和鋁晶體的原子間距（2.8?）相似，故AlB₂可以成為Al的結晶核心。

向純鋁中加入Ti（Ti的來源為K₂TiF₆）0.08％～0.13％，向鋁鎂合金加入Ti 0.11％～0.18％（含鎂1％～10％），向鋁銅合金加入硼0.3％～0.5％（實得B為0.055％～0.17％），含Cu 4％、8％、10％的合金中，均可使合金的晶粒細化（表4-22）。

純鋁具有優秀的抗腐蝕性能，但為提高其力學性能而加入合金元素后對合金的抗腐蝕性產生影響。以鋁銅合金為例，在大氣環境下，大氣中含有氧氣、濕度、溫度變化和污染物等腐蝕成分和腐蝕因素。鹽霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。鹽霧對金屬材料表面的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護層與內部金屬發生電化學反應引起的。同時，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫排擠并取代氯化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態表面變成活潑表面。鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件來考核產品或金屬材料耐腐蝕性能的環境試驗。它分為兩大類，一類為天然環境暴露試驗；另一類為人工加速模擬鹽霧環境試驗。人工模擬鹽霧環境試驗是利用鹽霧試驗箱。也可采用鹽溶液浸泡后測試強度損失，或者測試斷裂時間的方法進行對比，如表4-23和表4-24所示。

Al-Mg合金作為重要的鋁合金主要牌號包括ZL301、ZL303和ZL305等，其化學成分如表4-25所示，主要優點是由于Mg的加入而具有優良的力學性能，高的強度、好的延性和韌性（如表4-26所示），耐腐蝕性能好和切削加工性能好。主要缺點是鑄造性能差，特別是熔煉時容易氧化形成氧化夾渣，需要采用特殊的熔煉工藝。

為了便于工業生產參考，將對不同鑄造鋁合金的熱處理工藝參數列于表4-27中。