___*鋁合金*之析出硬化處理___

鋁合金之析出硬化處理

   鋁合金可分為加工硬化型(非熱處理型)合金及析出硬化型合金。前者適用於1000系、3000系及5000系鋁合金，而後者則應用於2000系、6000系及7000系等高強度鋁合金。其中，析出硬化型合金可配合不同之熱處理條件，選擇所須之機械性質，因此其應用範圍較廣。本文簡單敘述析出硬化型合金常用之熱處理方法，同時介紹一些特殊之時效析出技術，期望對鋁合金熱處理業者能有所幫助。

1. 固溶處理
此處理在於使鋁合金成分中之溶質原子能固溶至最大限，因此必須於高溫中保持長時間。固溶處理溫度過高易產生共晶熔解(eutectic melting)，太低則擔心固溶不完全，因此選擇的原則是取合金中溶質原子之固溶限(solvus)與共晶溫度(eutectic temperature)間之溫度。產生共晶熔解之材料，不是造成淬裂，就是明顯降低強度、延性及韌性。


2.淬火處理
淬火處理在於得到過飽和固溶體，因此冷卻速率必須相當快。倘若冷卻速率不足時，固溶之溶質原子易在晶界析出，將造成強度及延性降低。
此外，淬火並不只是獲得過飽和固溶體，亦可使高溫下之高密度的空孔獲得某種程度凍結，提高後續低溫下之擴散速率，而促進GP zone之形成或中間相之析出。

2.1淬火敏感性(C曲線)
一般淬火速率影響材料特性之程度，以『淬火敏感性高』或『淬火性低』來表示。圖1為幾種代表性熱處理型鋁合金之T-T-P曲線。此圖以溫度、時間為參數，即不同溫度下可獲得T6(水冷後時效)95%之強度所須之時間作圖，因形狀而稱為C曲線。曲線之鼻端愈靠左顯示淬火敏感性愈高，由圖可知幾種合金之淬火敏感性順序為7075>2017>6061>6063。
淬火用介質媒體一般為水，但為了防止淬火應變或殘留應力的產生常改用聚乙二醇(polyethylene glycol)水溶液或溫水作為淬火介質，但是冷速較慢。對於淬火敏感性高的材料，雖然同樣可以獲得強度、延性，但冷速慢將造成韌性下降。因此，航空機用之鋁合金之熱處理規格，規定淬火用水之溫度須在38℃以下。

2.2擠製淬火(press quench)
淬火敏感性低的材料，在熱加工後空冷即可達到一定的強度。一 i以及g-Si7000ature)般擠製加工時之擠製溫度雖然低於固溶限，但由於擠製加工產生之熱量將提昇胚料溫度至固溶處理溫度，而使析出物固溶。由於擠製加工時間短，因此擠製前胚料之析出狀態影響最後強度甚為明顯。換言之，擠製前均質化處理之冷卻，或加熱至擠製溫度必須快速以避免析出物之凝聚粗大化，才可使短時間之擠製加熱亦可獲得充分的固溶狀態。圖2為6063合金擠製加工之熱處理製程。6063合金之淬火敏感性低，擠出後以風扇空冷即可。然而對於淬火敏感性較高之6061合金，自擠型模擠出後必須立即水冷。此種
擠製淬火比正規熱處理具有更細晶粒之纖維狀組織，所得之過飽和固溶體具有較優異之強度。


3.時效處理

3.1室溫時效(自然時效)
代表性合金之室溫時效曲線如圖3所示。2000系或6000系合金在4至14天卻達安定之強度，但對於7000系合金而言則數年間一直持續室溫時效硬化。因此7000系合金一般不採T4處理而用W調質。
另一方面，2000系合金之室溫時效可獲得相當強度，高溫時效可使降伏強度明顯提昇，但對抗拉強度之增加有限。而且室溫時效比高溫時效具有較優異的疲勞強度及韌性，因此2000系合金採用T4或T3處理使用者居多。

3.2高溫時效(人工時效)
對於6000或7000系合金大都須採用高溫時效以獲得最佳強度。有時2000系合金欲達更高強度時亦採T6處理。
一般而言，低溫長時間之高溫時效處理具有較佳機械性質，然而工業上2000系合金常採用190℃，6000系合金則採用175℃之時效處理。而7000系合金與其他合金相較，則大都採取較低之120℃與160℃間之高溫時效。
3.3二段時效
7000系合金在高溫時效前，室溫時效時間愈長強度愈高。同時對於T7之之過時效(overaging)處理，室溫時效時間太短或高溫時效之昇溫速率太快，易造成粗大且不均一之析出，將使強度大幅降低。因此，雖然高溫時效前之室溫時效愈長愈好，但是考量經濟效率，工業界並不喜好長時間之室溫時效，而改採100℃～120℃的一次高溫時效後，再於150℃以上之二次高溫時效處理的方式，此稱為二段時效處理。
另一方面，利用主要成分Mg、Si含量之調整，可使6000系合金在室溫時效後立即高溫時效亦可達優異強度。圖4為Mg、Si含量以及室溫預備時效對其後高溫時效後強度的影響。過剩之Mg、Si含量所形成之Mg2Si在0.9mass%以下時，可由預備室溫時效來改善高溫時效後之抗拉強度。此稱為室溫時效之正效果，6063合金正好為此組成。相對的，6061合金之室溫時效為負效果，因此，6061合金淬火後直接高溫時效處理有較佳之強度。此種二段時效處理為汽車車體鋁合金化之相當重要技術，有愈來愈受重視的趨勢。

3.4改善耐蝕性之熱處理
不同高溫時效條件可連續變化材料特性，因此必須依材料用途來選擇適當之高溫時效條件。以常用之7075合金為例。雖然T6處理之強度最優，但其耐應力腐蝕(SCC)破裂及耐剝離腐蝕破裂性質甚差，因此常以過時效之T7處理來改善耐蝕性。7075合金之T73處理及T76處理約分別降低15%及10%之降伏強度，但耐應力腐蝕破裂性則獲得明顯的改善。
近年來，大都採用所謂RRA處理來改善應力腐蝕破裂性，此方法即為美國Alcoa公司所發展之A286製程，且己經以T77處理正式規 i以及g-Si7000ature)格化，目前應用在民用航空機B-777。此處理之方式係先執行T6處理後再於171℃～260℃短時間復原處理(retrogression)，最後再度施行與T6同等之高溫時效之三段時效處理。如此不僅可得T6相近之強度，且具有與T74～T76同等之耐應力腐蝕破裂性。
鋁合金比其他金屬材料具有質輕之先天優勢，考量未來結構用件之輕量化，鋁合金將脫穎而出。配合適當熱處理條件之選擇，不僅可獲得所須之機械性質，而且也可兼具優異之耐蝕性。另一方面，若要拓展鋁合金之應用範疇，除了新合金之開發外，新熱處理技術之研究亦不容忽視。

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在热处理方面说的很详细。最好在谈谈固溶温度和时间对材料的影响。