寧波賀鑫在對(duì)鋁和鋁合金進(jìn)行熱處理時(shí)，認(rèn)識(shí)到當(dāng)前面臨的問題以及為何嚴(yán)格控制工藝波動(dòng)和設(shè)備偏差是至關(guān)重要的。為了向熱處理領(lǐng)域的同仁們提供助力，寧波賀鑫總結(jié)并歸納了最常遇到的工藝問題，并提出了一些針對(duì)性的解決建議。接下來，將更深入地與大家探討這些話題。

熱處理相關(guān)問題

對(duì)于鋁的熱處理，報(bào)告最多的問題包括：

1）錯(cuò)誤的部件擺放

錯(cuò)誤的擺放-在固溶時(shí)候溫度比較高產(chǎn)品剛性差，容易在重力的作用下擠壓變形.正確的擺放（圖1）能夠避免這些問題。

圖1. 正確的部件擺放

2）加熱/升溫過快——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。

3）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。

4）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、淬火不當(dāng)（過慢）、加熱過度、加熱不足或沉淀硬化過程中時(shí)間—溫度參數(shù)發(fā)生改變。比如，在時(shí)間過長和溫度過高的情況下會(huì)析出較大的顆粒物（沉淀物）。

5）加熱過度——這時(shí)容易產(chǎn)生初熔或共晶熔化。舉例來說，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?/p>

6）加熱不足——這會(huì)由于過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)度過低。

7）淬火不充分引起變形——這方面的問題/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，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。

8）表面起皮/高溫氧化——我們?cè)凇案邷匮趸?– 案例研究”中詳細(xì)討論了這個(gè)問題。

9）時(shí)效過度——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，過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。

10）時(shí)效不足——這可能也會(huì)造成機(jī)械性能損失。

11）自然時(shí)效不當(dāng)——自然時(shí)效的時(shí)間長短不一，2xxx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-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。

12）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、溫度較低的工藝過程。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）。

13）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)致過飽和度不足，而時(shí)間太長容易使部件產(chǎn)生變形。

14）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）。

15）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。舉例來說，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。

16）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：

1）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)闅馀荩?/p>

2）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）

3）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)問題。

4）變形/收縮——原因是冷卻引起的應(yīng)力/應(yīng)變

5）熱撕裂——主要由于補(bǔ)縮問題而造成

6）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）問題。不過，如果需要更高的性能水平，應(yīng)避免進(jìn)行二次熱處理。

結(jié)語

大多數(shù)鋁熱處理相關(guān)問題的解決方法是：

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；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試方法來確認(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。