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      熱處理對擠壓鑄造2024鋁合金組織與性能的影響*

      2010-09-30 09:43:06高平平范才河陳喜紅
      關(guān)鍵詞:共晶晶界時效

      陳 剛,高平平,范才河,陳喜紅

      (1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410082;2.中國南車時代電氣股份有限公司,湖南 株洲 412001)

      Al-Cu合金是應(yīng)用最早的一類鑄造鋁合金,其特點是具有很高的室溫和高溫力學(xué)性能,尤其是強度和伸長率的搭配范圍寬,熱處理強化效果明顯,主要應(yīng)用于制造承受較大載荷的航空、航天及民用機械構(gòu)件[1-3].

      隨著我國鐵路的不斷提速,機車簧下質(zhì)量對輪軌動作用力影響也越來越明顯,降低簧下質(zhì)量是高速機車車輛設(shè)計時必須解決的一項技術(shù)難題[4].傳動空心軸是機車簧下機構(gòu)中的重要組成部分,其軸身為一厚壁長管件.目前采用了鑄鋼件,質(zhì)量大,研究表明,通過優(yōu)化鑄造及后續(xù)熱處理工藝,可制備出達到性能要求的鑄鋁空心軸,實現(xiàn)機車傳動軸的輕量化,而目前國內(nèi)外對擠壓鑄造態(tài)的2024鋁合金熱處理研究較少.鑒于此,本文對擠壓鑄造2024鋁合金大型管件的熱處理方面展開了研究,通過力學(xué)性能測試、掃描電鏡(SEM)觀察和能譜分析等,對合金熱處理過程中共晶相的溶解過程及其產(chǎn)生的固溶強化作用進行全面的分析與探討,為鋁合金轉(zhuǎn)動空心軸或大型管件研制提供參考.

      1 實驗方法

      1.1 合金熔煉

      試驗用原料為購置工業(yè)純鋁(Al≥99.85%)、純Mg錠(Mg≥99.5%)自行熔煉的Al-10%Mn,Al-20%Cu中間合金,按2024名義成分進行稱重配比,在750℃的坩堝爐中,先熔煉Al錠后,依次加入Al-Mn,Al-Cu中間合金,Mg按10%燒損計最后加入,添加少量Al-Ti-B作為晶粒細化劑.合金完全熔融后,攪拌均勻、精煉除氣、除渣.最后加少量的覆蓋劑,在730℃保溫靜置備用.熔煉后取樣實測成分如表1所示.

      表1 合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 2024 alloy %

      1.2 鑄造工藝

      試驗所用模具如圖1所示.模具通過電熱管加熱.壓力由100噸的四柱液壓機來施加.模具腔內(nèi)涂上一層石墨和機油混合液充當(dāng)潤滑劑.經(jīng)過工藝摸索試驗后,確定試驗澆注溫度采用730℃,模具溫度250℃,壓制壓力120 MPa.維氏硬度值為6個測點的平均.依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB145-59制備托伸試樣5 mm×25 mm,試樣經(jīng)固溶時效處理后,在WDW-E200微機控制電子萬能拉伸機上測試抗拉強度和伸長率,拉伸速率為1 mm/min,原始標(biāo)距采用劃線20 mm的方法,斷后伸長用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測量.在配有能譜分析系統(tǒng)的JEOL公司JEM-5600LV型掃描電子顯微鏡上觀察合金組織形態(tài)和拉伸斷口.

      圖1 實驗用模具示意圖Fig.1 The die of the experimentation

      2 結(jié)果與分析

      2.1 固溶處理對合金組織的影響

      鋁合金的固溶處理溫度根據(jù)其共晶反應(yīng)溫度而定.為了加速固溶過程,在保證不過燒的前提下,盡可能使固溶溫度接近共晶溫度.圖2為本實驗合金的DSC分析,實驗合金共晶溫度為504.98℃,過燒溫度在500.33℃,因此本研究采用495℃進行固溶處理.由于A12Cu(θ相)溶解緩慢,保溫時間應(yīng)盡量充分[5-6].

      圖2 合金DSC分析Fig.2 The DSC analysis of alloy

      圖3為合金為不同固溶時間的2024合金組織SEM 形貌.圖 3(a)(未固溶處理)表明在擠壓鑄造過程中,Cu,Mg等合金元素在晶界偏析,形成大量的網(wǎng)狀共晶相,共晶相主要為θ相和S相,鑄造組織產(chǎn)生偏析.經(jīng)過8 h固溶處理后(圖3(b)),合金中共晶相組織逐漸變細,逐步固溶進入基體.隨固溶時間延長,合金中的共晶相由原網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的點狀分布(圖3(c)).固溶時間達到 16 h,晶界看不到呈線狀分布的共晶相,共晶相基本固溶進入晶粒內(nèi)部(圖3(d)).繼續(xù)延長時間,合金的共晶相基本不發(fā)生變化,表明合金已經(jīng)充分固溶,若合金固溶時間過長將會導(dǎo)致晶粒長大(圖3(e)).

      進一步對合金進行了固溶時間為0和16 h的掃描電鏡能譜分析,表2選取了晶界及晶粒中的Al,Cu,Mg含量.表明合金經(jīng)495 ℃固溶 16 h后,相已基本發(fā)生溶解,淬火后合金基體中過飽和Cu原子的數(shù)量多,對合金起到良好的固溶強化作用,為后續(xù)的時效做好準(zhǔn)備.2024鋁合金的主要合金元素為Cu和Mg.其溶入α(A1)基體形成過飽和固溶體的溶質(zhì)原子對合金產(chǎn)生固溶強化[7].為了證實合金經(jīng)過16 h固溶處理,合金中主要合金元素固溶完全進行了線掃描分析,選取沒有析出相的地方進行線掃,結(jié)果表明16 h后合金元素在晶界和晶內(nèi)的含量差別較小.溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大,所引起的晶格畸變也越大,強化效果也越好[8].擠壓鑄造產(chǎn)品Cu,Mg等合金元素偏析在晶界,形成網(wǎng)狀共晶相,造成合金成分不均.經(jīng)過長時間固溶處理后,合金基體中Cu,Mg含量增加,晶界處的共晶相大部分固溶進入基體,合金強度和硬度隨溶質(zhì)原子過飽和度的增大而逐漸提高.

      圖3 2024鋁合金經(jīng)時間不斷的固溶處理后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 The SEM picture of 2014 aluminium alloy under different solution time

      表2 不同固溶時間晶界及晶粒的能譜分析Tab.2 Results of EDS analysis of solution time %

      2.2 時效對合金硬度的影響

      圖4 時效時間對合金硬度的影響Fig.4 The hardness of the alloy as function of age time

      圖4為合金經(jīng)固溶處理后,在190℃下不同時效時間的硬度-時間曲線.合金在初始階段硬度變化很小,當(dāng)超過2 h后,合金的硬度呈直線上升,到達12 h后,合金的硬度達到最大值.時效過程是飽和固溶體脫溶分解的過程,脫溶可分為共格、部分共格和非共格3種變化[9-10].在時效初始階段合金中的各相呈共格,此時合金的硬度變化較小,當(dāng)時效時間延長時,中間相呈部分共格析出,此時合金的硬度呈直線上升.當(dāng)?shù)竭_12 h后,共晶相的時效強化效果達到最大,繼續(xù)延長時間后,中間相開始長大以及軟化,硬度下降.表明擠壓鑄造2024鋁合金固溶時效經(jīng)歷由過飽和固溶體→GP區(qū)→過渡相→平衡相的過程.

      2.3 熱處理后合金的力學(xué)性能

      圖5所示為經(jīng)過不同時間固溶處理,時效后合金的力學(xué)性能,合金時效工藝均采用190℃+12 h.合金的抗拉強度隨固溶時間的延長而逐漸增大,在固溶14~16 h達到了峰值,繼續(xù)延長固溶時間,合金的強度有所下降.固溶時間很短,不能將偏聚于晶界的合金元素固溶進入基體,鑄件中成分不均勻,而合金元素能夠起到固溶強化效果,同時時效強化也主要是θ相和S相的脫融析出,合金元素的均勻化有助于鑄件力學(xué)性能的提高.

      圖6所示為合金分別在鑄態(tài)、固溶8 h和16 h(T6態(tài))后的拉伸斷口形貌.可以看出,鑄態(tài)合金的斷口組織呈脆性沿晶斷裂的冰糖狀形貌和河流狀的解理臺階(圖 6(a));固溶 8 h合金的斷口合金解理斷裂減少,部分區(qū)域出現(xiàn)韌窩,同時由于固溶不完全,晶界處還存在大量的共晶相(圖 6(b)),當(dāng)合金的固溶時間增加到16 h后,合金的斷口韌窩明顯(圖6(c)),合金的抗拉強度達到峰值.

      圖5 固溶時間對合金力學(xué)性能的影響Fig.5 Mechanical properties of 2024 Al alloy as function of solution time

      圖6 不同固溶時間2024鋁合金的拉伸斷口形貌Fig.6 SEM images of 2024 Al alloy solution at 495 for various times

      3 結(jié) 論

      1)擠壓鑄造2024合金管材晶界存在大量的網(wǎng)狀共晶相,經(jīng)過固溶處理后,合金的偏析現(xiàn)象得到減輕.

      2)固溶處理初期,組織中θ,S相的數(shù)量逐漸減少,但在晶界的共晶相中還有一定的Cu含量;而固溶后期,合金基體中Cu和Mg的含量逐漸增多,晶界處的共晶相完全溶解.

      3)合金經(jīng)過 495 ℃,16 h固溶和 190℃,12 h時效處理后,管材的抗拉強度達到435 MPa,延伸率為6.9%.

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