铝及其合金材料的强化主要有合金化、 变质处理、 时效强化、 形变强化和表面
处理强化等。
(1) 合金化
在铝中加入锌、 镁、 铜、 锰和硅等合金元素, 都能组成具有较大极限溶解度的
固溶体, 起到固溶强化作用。 当加入的合金元素含量超过极限溶解度时, 将出现硬
而脆的金属间化合物, 作为第二相呈弥散分布在α固溶体基体上, 起弥散强化作
用。 例如, 作为硬铝的 Al-Cu-Mg系合金中有两个二元强化相 (Al2Cu, Al8Mg5)
和两个三元强化相 (Al2CuMg, Al6Mg4Cu), 其中以 Al2CuMg相的强化作用最强
烈。 在铝合金中添加微量元素, 如钛、 硼、 锆和稀土元素等, 能显著细化晶粒, 起
晶界强化作用。
(2) 变质处理
所谓变质处理, 指在液态合金中, 加入少量经过选择的变质剂, 借以改变其组
织状态 (如细化晶粒等), 从而提高其性能。 ZAlSi12 (代号为 ZL102) 的原始组织
主要是由粗针状硅晶体和α固溶体组成的共晶体, 这种粗针状硅晶体严重降低力学
性能。 若在浇铸前对 合 金 溶 液 进 行 变 质 处 理, 一 般 用 钠 盐 混 合 物 (2
3NaF+ 1 3
NaCl) 作为变质剂, 加入量为合金重量的2%~3%, 结果合金组织显著细化, 使
硅晶体由粗针状变为细粒状, 强度提高30%~40%。 其组织细化的机理一般认为,
溶入合金溶液的活性钠一方面促进硅形成更多的晶核; 另一方面吸附在初生的硅晶
体表面阻碍硅晶体的长大。 此外, 向铝合金溶液加入一些能增加晶核的元素如硼、
钛、 锆等也有很好的变质效果, 例如以含5.5%Ti和1.1%B的中间合金作为变质
剂, 效果尤为显著。
(3) 时效强化
时效强化是铝合金的主要强化热处理方法。 现以含4%Cu的 Al-Cu合金为例
加以说明。 首先将该合金加热到稍超过固溶线, 即500℃ ±5℃, 适当保温, 使第
二相 CuAl2 全部溶入α固溶体中, 然后在水中快速冷却, 使 CuAl2 来不及析出,
从而获得过饱和α固溶体。 这种处理称为淬火或固溶处理。 由于 Cu、 Al都是面心
立方晶格, 形成置换固溶体产生的晶格畸变不大, 固溶强化的效果也不大, 该合金
在退火状态下, σb=200MPa, 经淬火后强度略有提高, σb=250MPa。
第1 章 铝及铝合金材料加工技术基础知识 53经淬火后得到的过饱和固溶体是不稳定组织。 在室温下放置或在一定加热温度
下保温, 都使不稳定的过饱和固溶体的结构发生变化, 并伴有强度和硬度升高的现
象, 这种处理称为时效。 在室温条件下进行的时效称为自然时效, 在加热情况下进
行的时效称为人工时效。 该合金淬火后, 在室温中放置4~5天后, 强度大为增加,
σb=400MPa。 随着温度升高, 将加速时效过程, 但强化效果有所降低。 时效强化
的机理是: 在时效过程中, 过饱和的 α固溶体产生 Cu原子富集区并进一步有序
化, 形成与 CuAl2 成分接近、 具有正方晶格的θ″相, θ″相与基体共格, 造成晶格的
强烈畸变, 因而使强度和硬度增加。 这一机理已经 X 射线衍射进行结构分析后
证实。
(4) 形变强化
对工业纯铝和变形铝合金可以通过冷变形进行强化, 这对于不能用热处理强化
的铝合金具有重要的意义。 例如, 工业纯铝经冷变形后, 使σb 从80~100MPa增
加到150~250MPa, 但δ从80%降低为50%~60%。
(5) 铝的表面处理强化法
铝的阳极氧化法是在铬酸、 草酸或硫酸等电解液中, 以工件作为阳极, 在电流
作用下形成致密而耐蚀、 耐磨的氧化层 (Al2O3), 保护内部金属免受大气或工业
介质的腐蚀和磨损, 对铝基体起到表面强化的作用。 同时, 氧化层有多种颜色, 并
可用着色涂料进行着色处理, 故还可作为表面装饰之用。