高强耐磨铝青铜热处理工艺的研究(2)

2009-09-23 李文生 甘肃工业大学材料科学与工程学院

  从试验结果与极差分析:极差大小可以清楚地反映各因素对性能影响程度的强弱,极差越大影响因素影响力越强. 所以从表2中可得各因素对合金硬度性能影响因素的主次顺序是:固溶温度、时效时间、时效温度和固溶时间. 最佳硬化热处理工艺组合是:A1B1C1D2(其中1,2,3代表A,B,C,D各因素所对应的水平数),即(840~880)℃×3h固溶油淬处理+(600~630)℃×2h时效空冷处理.

  随固溶温度的增高和保温时间的延长,合金基体晶粒会因高温下保温时间过长而长大,不利于合金的强硬化而导致合金硬度有下降趋势. 时效温度在570~600℃时合金硬度相对较高,而且经几组不同正交表的试验都证明了有此相同结果,只是时效保温时间对合金硬度的影响趋势不明显. 为进一步优化合金硬化热处理工艺,本文以下展开了时效保温时间对铝青铜模具合金材料硬度性能影响的研究,从而确定了合金的最佳硬化热处理工艺.按最优组合温度,确定840~880℃和570~600℃分别为Cu14AlX铝青铜合金的固溶时效温度,研究保温时间对硬化性能的影响. 将试样在(840~880)℃×3h油淬固溶处理后,分别进行(570~600)℃×(2,3,4,5,6)h的时效空冷,确定合金硬度随时效时间的变化规律,实验结果见表3及图1所示.

试验安排及结果不同时效状态硬度曲线

表3  试验安排及结果                                        图1  不同时效状态硬度曲线

  根据Cu2Al二元相图 ,铝当量为14.6%~15.3%的准二元合金,平衡组织应由共析的γ2相和(α+γ2)共析体组成. 但由于实际砂型铸造生产中,冷却速度满足不了充分缓慢冷却的条件,因而得到的组织与平衡组织差异较大. 在铸造条件下,β相中γ2 的析出及β→α+γ2 的转变不能充分进行. 所得到的组织为β′+γ2+(α+γ2)(如图2a),而铸态组织中(α+γ2)共析体的析出不利于合金的强化. 其中,α相是以Cu为基的置换固溶体,属面心立方点阵,显微硬度HV 为200~270 ,β′相是在实际铸造条件下共析转变受阻而出现的过冷β相,它们属同素异构体. 前者具有斜方晶系的点阵结构,在低于325℃时稳定;后者属于体心立方点阵,在高于565℃时稳定.β′相实际上是以Cu3Al 电子化合物为基的固溶体,显微硬度HV为290~407. γ2相是以Cu9Al4为基的固溶体,具有体心立方晶格的硬脆相. 而铝青铜合金基体中软相与硬相的含量比和各相的晶粒尺寸对合金的整体机械性能有直接的影响,因此,正确的热处理工艺能优化Cu14AlX铝青铜合金的硬化性能.

  表3中合金硬度相对表2 中有显著提高是因为前者合金成分设计及配料时相对于后者增加了0.5%的铝含量, 铝是铝青铜中最有效的强化元素. 而且后者在熔炼后期添加了小于0.4%的稀土. 稀土对合金起到除气、脱氧、脱硫和去除微量元素的净化作用,使合金组织致密,晶粒细化,特别是能使梅花状的κ相(含Al,Ni的富铁相) 的花瓣形状由尖变圆,由粗大变细小(如图2b,2c),即使坚硬的强化相弥散镶嵌在高强度的基体中,对合金起显著的强化作用。

图2  SEM 扫描显微图( ×500)

图2  SEM 扫描显微图( ×500)

  随时效时间由2h增加到5h ,析出的γ2相变得均匀细化,经X 衍射分析(如图3),有[AlFe],[AlNi]2c等弥散κ相析出,且随时效时间的延长,逐渐由花瓣状向球状过渡,由粗大变细小,且脱离γ2硬脆相的包围,镶嵌在强度和硬度较高的β基体中,合金时效硬化效果显著,硬度由36.3 HRC 增至最高值48. 2 HRC. 而后随时效时间的延长,基体晶粒及先共析γ2相有明显的长大趋势,合金硬度开始下降。

图3  X 射线衍射图谱

图3  X 射线衍射图谱

4、结论

  1) 热处理工艺中影响Cu14AlX铝青铜合金硬化性能4种因素的主次顺序是:固溶温度,时效时间,时效温度和固溶时间.

  2) 通过固溶,时效处理可显著改善Cu14AlX铝青铜合金的硬度,最佳热处理硬化工艺为: (840~880)℃×3h油淬固溶和(570~600)℃×5h空冷时效处理.