鋁合金熱處理技術

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鋁合金熱處理技術
熱處理的定義很廣，凡是人為控制之加熱與冷卻過程，用以改善材料之結構與性質者皆屬於熱處理，所以鑄錠在加工前成形中，或加工後以及鑄件所施之加熱及冷卻過程都叫熱處理，亦包含下式的處理：
(1)   浸熱(Soaking)，均質化處理(homogenizing)預熱—使鑄塊組織均質化而長時間加熱處理。
(2)   再熱(reheating)熱間加工，而加熱處理。
(3)   Annealing退火-軟化材料。
(4)   Solution heat treatment)溶體化處理，auenching淬火，回火(artificial aging  或 temper)—提高材料強度
(5)   Stabilizing treatment安定化處理
鋁合金分為兩大類：
(1)   Heat treatable alloy
(2)   Non-heat treatable
熱處理鋁合金為2XXX，6XXX，7XXX或2XX.X，3XX.X，7XX.X，其區分是熱處理鋁合金如施以適當熱處理其內部結構發生一種相變化，產生細緻析出物，藉此種析出物，強化材料。這種現象叫析出硬化或時效硬化。
(Heat treatable alloy =precipitation-hardenable alloy)
非熱處理合金則無析出硬化現象(但也會有析出物)，故其強化作用通常借助一般的方法，如因溶體強化，加強化細晶強化。
(1)  鋁合金之特性
首先我們先討論鋁及其合金的特性來說明鋁及鋁合金為何大量的被運用。\r
(a)    輕~2.7Mg/m，差不多是同體積銅或鋼的1/3重量。
(b)   防腐蝕能力強。
(c)    可反射輻射能—可見光、輻射熱、電磁波。
(d)   導電及導熱能力強，且又是非鐵磁性。
(e)    non-sparking
(f)     無毒性
(g)    外觀及表面易處理
(h)    機械性質良好
(i)      存量多
鋁合金的代號甚多，例如：A.A(Aluminum,Association)
Al coa：(Alumunum Company of America)，JIS，DIN，BS等等，在我們僅說明A.A.代號及J.I.S代號：  
A.A.代號用四位數字表示
1XXX   純鋁系   99.00%以上
2XXX   Al-Cu
3XXX   Al-Mn
4XXX   Al-Si
5XXX   Al-Mg
6XXX   Al-Mg-Si
7XXX   Al-Zn
8XXX   前代號以外之系統
9XXX   備用
J.I.S代號   A2P1
A-    代表鋁
2-表示大區別  1.鋁  2.耐蝕鋁合金  3.高力鋁合金   4.耐熱鋁合金
P-表示形狀    P板   R條    E圓板   PC合板   RC合條   T管
                     B棒   W線   S擠壓形材   V卯釘材   F鍛造品
                        H箔   TW熔接管   BC導體
1-表示種類     特1       特2分別用S.O
(2)  鋁合金之析出硬化
當金屬所受襪力超過其降伏強度時，即發生塑性變形，從內部微結構的觀點來看，變形最主要是由差排(dislocation)再受外力下，開始移動而造成。因此差排運動的難易關係到金屬的強度，差排越不易運動，則外加力勢必越大材足以使他移動而形成塑性變形，此時材料呈現的強度越高，反之，呈現的強度越低。因而各種使材料強化的手段包括設計適當合金成分、施加適當鑄造技術、熱處理技術、加工技術，實質上就是造成材料內部差排移動阻礙的因素，阻礙差排運動的因素有溶質原子(即所謂固溶強化)、差排互相干擾(即加工強化)、晶界(即細晶強化)、麻田散相(即麻田散強化)、第二相顆粒(有散佈強化、擴散強化、析出強化)等。
    在上述強化方法中，乙烯初強化最晚為人類所發現，但他是一種十分有效的強化方法，可使一個材料晶析出硬化熱處理提高5至6倍的強度，許多高級的結構材料即靠析出強化來獲致其強度，如Al-Zn-Mg，Al-Cu、Al-Mg-Si，
Cu-Be、麻時效鋼(maraging steel)、析出硬化型不銹鋼等。
    以Al-Cu合金平衡圖為例，可瞭解此種原理。由圖可看出鋁基地(α相)對Cu的飽和溶解度，再548℃時是5.7%，隨溫度逐漸下降，至0℃時僅0.2%。當鋁基地中的Cu含量超過此一固線(solvus line)時，多餘的Cu含量便以θ(CuAl 化合物)析出來。例如Al-4%Cu合金，在540℃時Cu全鋁基中而為α固溶體，如果將之緩慢冷卻，到了A點以下，飽和溶解度開始低於4%，此時θ便開始析出，沿晶界析出較粗大，基地內析出較小些。如果吾人採用快速冷卻，例如將之淬火至室溫水或更低溫液體，由於冷卻速率太快，不超過1~2秒的時間，就到達低溫狀態，故此時不像食鹽水之能迅速析出沉澱，在這短時間內，θ相是來不及析出的。且由於固體中原子擴散速率再低溫時甚為緩慢，在一段時間內，析出幾乎被抑制，因而淬火後得到的是過飽和的固溶體。
    淬火在時效析出物比緩慢冷卻者細小而緻密，由於前以敘述及析出物越緻密，其析出強化效果越好，固實用的析出硬化熱處理程序必須包括下列三個基本步驟：
固溶熱處理(solution treatment)→淬火(quench)→時效處理(aging treatment)
固溶處理係指將材料生溫至固溶體單相區一段時間，以便讓溶質全部溶入基地而成單一α相；淬火係指將固溶處理後的材料迅速冷卻以得飽和固溶體。時效處理則將此過飽和固溶體放置在恆溫，使其逐漸析出析出物而造成性質上的變化。此恆溫若為室溫則稱為自然時效(natural aging)，若在叫高溫爐中進行則稱之為人工時效(artificial aging)。
    圖3-1顯示一個典型的時效硬度曲線，硬度在時效初期質逐漸上升，對時間後達最高硬度，過了最高點，硬度逐漸下降，這三個階段分別稱做初時效、最高時效及過時效；一般而言，初時效硬度上升是由於析出物逐漸析出，體積比逐漸增加，析出物間距越小所致；到了最高時效時，此時析出物呈現最佳的分佈狀態，亦即對差排的阻力最大；過時效的形成是由於析出物的粗化，所謂粗化就是說由於析出物在希望減少總表面積以降低總表面能的趨使下，大的析出物越長越大，小的析出物逐漸變小而消失，亦即粗化的結果，造成析出物半徑增大，個數減少，間距加大，根據前述之強化機構，可之粗化降低對差排的阻力，並使硬度下降。
   
                                               圖3-1典型之硬度時效曲線

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(3)鋁合金熱處理技術
1.      熱處理鋁合金加工代號
F：As fabricated表示冷加工，熱加工或鑄造成形後不在施以特別處理。
O：Annealed表示退火至最低強度水平之鍛製品，及經退火增加延展性及尺寸安定性之鑄造品。
H：Strain Hardened表示經加工變形之鍛製品。
W：Solut heat treated：表示僅固溶體處理後自然時效W1/2 hr。
T：Heat treated to produce stable tempers other than F . O . or H .
2.      熱處理代號
H1：僅加工硬化者
H2：加工硬化且未完全退火(部分退火)
H3：加工硬化作低溫加熱以便稍微降低強度以增進延展性及安定性
H1X，H2X，H3X
X由1~8
8：50℃以下將完全退火之合金施以75%冷滾所的之強度
0：為完全退火之強度
4→8+ 0/2
H 112 製造成形時加工硬化但加工量為加以控制
H 321 製造成形時加工硬化，加工量特定
3.      T代號之細分   
T 1  從較高溫之成形加鑄造、擠形等過程中冷卻下來並自然時效。
T 2  從較高溫之成形施以冷加工並自然時效。
T 3  固溶體處理後，冷加工並自然時效
T 4  固溶體處理後，直接自然時效
T 5  輕較高溫度成形施以人工時效
T 6  固溶處理後人工時效
T 7  固溶處理後人工時效至過時效狀態
T 8  固溶體處理後，冷加工並人工時效
T 9  固溶體處理後人工時效並冷加工
T 10  較高溫之成形施以冷加工並人工時效
TX 51  固溶體處理後用伸張的方法消除內部應力
TX 52  固溶體處理後用壓縮的方法消除內部應力
TX 53  用伸張及壓縮的方法消除內部應力
4.      熱處理注意事項：
1.Solution Heat Treatment 固溶體處理   
一般處理溫度約只低於共晶溫度10~15℉，對於高成分的合金要避免超過共晶溫度，否則發生共晶反應在晶界上形成脆性之共晶結構影響材質

1.      Over heating
2.      Nonequilibrium Melting
3.      Underheating
4.      Solution Treating time, soaking time
5.      High Temperature Oxidation 高溫氧化
2.Quenching淬火
淬火之目的在造成過飽和之固溶體，最理想的淬火是保持固溶體之溶解度→細密、析出強度高，且耐蝕及抗屬力腐蝕性也會改善→保持大量之Vacancy有益析出硬化
原則上淬火速率越快，淬火溫度越低越好，但是淬火速率太快往往會造成變形或內部應力，因此對形狀較不規則的物體仍採慢淬火為宜。
注意事項：
1.      操作需迅速→遲了機械性質、耐力、伸度會劣化，組織不均勻也會降低耐蝕性越薄→越快。
2.      淬火材料要夠
3.Precipitation Heat Treatment(時效處理)析出熱處理溫度越高硬度上升越快達到硬度之時間越短，但最高硬度相形下降，而工業上，溫度越高，成本越大。自然時效 natural aging(常溫時效)如2040合金，T4人工時效 artificial aging, Precipitation heat treatment   7075自然時效雖快但硬化一直增加中難獲安定之結構，故此合金採人工時效。一般而言，過時效之伸長率與韌性數初時效差一般合金不適合作過時效處理，但若考慮高溫安定性時，較高溫之過時效是以必要的。另外7000系鋁、鋅鎂合金t6處理之強度高，但抗蝕性最差，過時效反可大幅改善，因之7000系如7075，在實用上如應力腐蝕顧慮時必將T73或T76處現。淬火後再低於常溫保持時，一般會抑制析出，如2014，2017，2024在-20℃放置一周幾乎不變-遲效，如2117—鉚接材
4.      退火Annealing  
Full annealing 充分退火，對加工硬化物之物件通常以再結晶而對可熱處理合金溶質均以全部析出(防止自然析出)
如太高溫度或長時間加熱的話，結晶粒粗大，機械性質差，甚至肌膚粗糙。
油污(oil station)→因油脂使表面變色
部分退火(低溫退火)→高於常溫，加熱時間短→結晶細而且軟→只適用於薄而形狀單純者