我国变形铝合金产品退火工艺技术规范与日美对比

    变形铝合金热处理的退火包括：铸锭的均匀化退火、坯料退火、中间退火和成品退火。铸锭均匀化退火在熔铸的篇章中进行了讲述。坯料退火是指压力加工过程中第一次冷变形前的退火。对于铝挤压企业来说，都是热挤压后的冷加工，因此不存在坯料退火。所以本节只讨论中间退火和成品退火。

一、冷变形金属加热时的组织与性能的变化

    金属经过冷变形后，自由能增加，晶格发生畸变，晶格的各种缺陷如点缺陷、位错、亚晶界等增加。金属的性能出现加工硬化，即抗拉强度、硬度、电阻增加，而伸长率和韧性下降。
    由于冷变形金属自由能增加，处于一种不稳定状态，总有一种向冷变形前的稳定状态转化的趋势。但尚不足以使它自发地向稳定状态转变，需要给予热能的补充。当冷变形金属加热后，促使原子扩散、位错运动，通过回复 (又称恢复)、再结晶和晶粒长大(包括聚集再结晶)，这三个阶段而又有交叠的过程，使金属的组织和性能又恢复到冷变形前的状态，如图3—5—14所示。

图3—5—14冷变形金属加热时组织和性能的变化
Ａ一再结晶开始温度；B一再结晶终了温度

1．回复
    回复过程的实质是点缺陷运动和位错运动及其重新组合，在精细结构上表现为多边化过程，形成亚晶组织。
    回复是在较低温度下进行，退火温度越高，性  能的恢复越快；退火温度越低，性能的恢复越慢。一般开始时进行得较快，随后逐渐减慢。主要是以晶格畸变所引起的内应力和电阻的恢复，性能的恢复较慢。在回复过程中，由于金属在变形时内部的变化不均，有变形量大的地方，回复过程中需要的热能供给量少，首先进行回复。因此，对同一块金属而言，回复不是同时发生的，而是有先有后，甚至有的地方尚未回复，而有的地方已开始再结晶了。
    回复不能使金属的冷变形储能完全释放，因此不能完全消除加工硬化效应。只有通过再结晶过程才能完全消除金属的加工硬化效应。
2．再结晶
    冷变形铝及铝合金加热从某一温度开始，显微组织发生明显变化，加工硬化完全消除，形成了新晶粒的显微组织，这种现象称为再结晶。
    冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的热处理过程称为再结晶退火。生产中采用再结晶退火主要是为了消除产品冷变形所产生的加工硬化和提高产品的塑性。
    1)再结晶温度
    再结晶与液体结晶及同素异构转变不同，它没有一个固定的结晶温度，而是在加热过程中自某一个温度开始随温度升高或时间的延长而进行成核及长大的过程，它是在一个温度区间内完成的。可以开始再结晶的最低温度称为再结晶温度(又称再结晶开始温度)如图3—5—14中A点的温度。再结晶过程进行完了的温度称为再结晶终了温度，如图3—5—14中B点的温度。表3—5—9为部分挤压合金的再结晶温度。
    2)影响再结晶温度的因素
    每种合金的再结晶温度不是一个固定不变的温度，它与变形程度、原始晶粒度、合金成分、退火温度和保温时间等因素有关。

表3—5—9部分挤压铝合金的再结晶温度表 

    (1)变形程度的影响
    冷变形程度是影响再结晶温度的重要因素。金属的冷变形量越大，金属的自由能增加就越多，有更大的推动力促使金属进行再结晶，因此其再结晶的温度就会越低。同时，随变形程度的增加，完成再结晶过程也越快，因而所需的时间就越短。
    变形程度很小时，再结晶不易发生，即使发生其孕育期很长。当变形程度达到一定程度时才会产生再结晶。这个能够引起再结晶的最小变形程度，称为临界变形程度(或称临界变形度)，它的再结晶完成后，形成的晶粒最为粗大。在变形铝合金中一般临界变形度为3%～15%，因此这种变形度引起的再结晶晶粒会特别粗大。
    (2)原始晶粒度的影响
    在相同条件下，当原始晶粒细小时，变形后其内部储存能较多，有利于再结晶的形核与长大，再结晶进行的就顺利，因而可以在较低的温度下进行，即可以降低再结晶温度。
    (3)合金成分的影响
    在固溶体范围内，加人少量元素通常能急剧提高再结晶温度。金属越纯，少量元素的作用越明显。元素浓度继续增加，再结晶温度的增量逐渐减少，并在达到一定浓度后基本不再改变，有时甚至降低。当元素的浓度进一步提高，合金中有第二相出现时，再结晶温度的变化较为复杂，再结晶温度的影响与第二相质点的数量和弥散度有关。如第二相质点的数量较少且弥散度不大时，在第二相质点周围形成位错塞积，易使再结晶发生，因而可能降低再结晶温度。
    (4)加热速度与保温时间的影响
    当冷变形金属快速加热到退火温度时，由于回复过程来不及发生，容易产生再结晶核心而进行再结晶，即再结晶温度相应降低，同时可以获得细晶粒组织。
    加热保温时间越短，则再结晶越要在较高的温度下才能发生，相反加热保温时间长，再结晶可以在较低的温度下发生。
    (5)退火温度的影响
    由于再结晶过程是一个热激活过程，提高退火温度使形核率和长大速率增加，因而能加快再结晶过程的进行。
3．晶粒长大
    冷变形金属在加热保温过程中完成了再结晶后，如果继续延长保温时间或提高加热温度。再结晶得到的均匀、细小的等轴晶粒，将会长大形成粗大的晶粒，这个过程称为聚集再结晶。它使金属的力学性能变坏。
    一般晶粒长大有两种形式。一种是均匀地逐渐长大，形成大小相近的粗大晶粒，这种长大过程叫一次长大。另一种是非均匀长大，大小晶粒相差很大，有的晶粒特别粗大，这种长大过程常称为二次长大。晶粒长大过程从热力学条件来分析，是一种自发的变化趋势。因为在一定体积的金属中，晶粒越粗，其总的晶界表面积就越小，则总表面能越低。因而晶粒的粗化可以减少表面能，使金属或合金处于表面能较低的稳定状态，在继续加热过程中正好提供了补充能量的机会。促使细晶粒向粗晶粒转化。
    晶粒的长大过程是晶粒互相吞并的结果。晶粒越小，晶界的曲率越大，其表面能越大，因而一个弯曲的晶界有向曲率中心移动而使其变得平直的趋向，这一过程称为晶界的平直化。一般小晶粒的晶界多呈凸形，而大晶粒晶界多呈凹形，晶界移动的结果，往往都是小晶粒被大晶粒吞并。

二、中间退火

    中间退火是指两次冷加工之间的退火。通过一次加工后，为消除加工硬化，以便进一步进行冷加工而必须进行一次退火。铝合金挤压材如挤压的管毛料、线毛料(小棒材)、需经多次拉伸或轧制才能变为成品，其间就必须进行中间退火。
    中间退火应该注意的是必须是再结晶退火，对于热处理可强化的铝合金应控制冷却速度，通常采用炉中以不大于30℃/h的速度缓慢冷却到270℃以下再出炉冷却，防止高温出炉造成空气淬火，降低其塑性。对于热处理不可强化的铝合金，退火结束后可以直接在空气中冷却。中间退火制度见表3—5—10。

表3—5—10铝合金中间退火制度表 

三、成品退火

    成品退火是根据产品技术条件要求，保证材料具备一定的组织和性能的最终热处理。成品退火分为高温退火(生产软制品)和低温退火(生产不同状态的半硬制品)。
    高温退火是以“0”为标志的热处理状态，保证材料为完全再结晶组织和良好的塑性。对于热处理可强化的变形铝合金，要使强化相充分沉淀形成稳定的第二相，防止淬火效应和随后的自然时效。在保证铝合金制品获得良好的组织和性能的条件下，退火温度不宜太高，保温时间不宜过长。应注意控制好退火后的冷却速度。热处理不可强化的变形铝合金可以出炉后在空气中冷却。对于热处理可强化的变形铝合金，退火保温结束后应以不大于30℃/h的速度在炉中冷却到270℃以下，随后出炉在室温中冷却。
    低温退火多用于纯铝和热处理不可强化的铝合金。主要目的是消除内应力和部分软化制品。低温退火由于不是完全软化，要保持一定的加工硬化，因而制定低温退火工艺比较复杂。必须先制定出退火温度和力学性能的变化曲线，然后再根据技术条件要求的性能，确定出退火温度范围。铝合金挤压的型、棒材一般不采用低温退火。冷轧的板材、管材的半硬制品多采用低温退火。高温退火制度见表3—5—11。

表3—5—11铝合金成品退火制度表 

    日本变形铝合金的热处理工艺及室温典型的力学性能见表3—5—12。
    表3—5—13为美国变形铝合金典型热处理规范。表3—5—14为美国变形铝及铝合金典型退火规范。

表3—5—12  日本变形铝合金热处理工艺及室温力学性能表 

 
    表3—5—13  美国变形合金典型热处理规范表 

 
    表3—5—14  美国变形铝及铝合金典型退火规范表