淬火介質(zhì)對(duì)ZL114A鋁合金性能、變形和組織的影響

肖遠(yuǎn)倫，趙強(qiáng)，黃志偉，寧海青，鄧天泉，孫昌健，趙高瞻

(1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039;2.國(guó)防科技工業(yè)精密塑性成形技術(shù)研究應(yīng)用中心，重慶 400039)

ZL114A鋁合金具有很高的強(qiáng)度和韌性，良好的流動(dòng)性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復(fù)雜形狀的高強(qiáng)度鑄件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域[1－2]。鋁合金傳統(tǒng)熱處理通常采用的淬火介質(zhì)為水和油，油的冷卻速度較慢，經(jīng)常出現(xiàn)淬火硬度不足或淬硬層深度達(dá)不到預(yù)定要求等現(xiàn)象，而水的冷卻速度較快，容易造成工件的淬火變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)開(kāi)裂致使工件報(bào)廢，淬火過(guò)程中汽化產(chǎn)生的氣泡還會(huì)致使工件表面冷卻不均出現(xiàn)軟點(diǎn)[3－4]。水溶性淬火介質(zhì)的冷卻速度介于油和水之間，它克服了水和油的上述弊端，還具有無(wú)毒、無(wú)有害氣體、無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)、不污染環(huán)境、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

目前液體淬火介質(zhì)在我國(guó)熱處理行業(yè)中仍然處于主導(dǎo)地位，如自來(lái)水、機(jī)油、有機(jī)高分子淬火介質(zhì)等。淬火介質(zhì)的冷卻性能主要受淬火介質(zhì)溫度、濃度等因素的影響[5]。文中以水、聚乙烯醇和水溶性聚合物PAG為研究對(duì)象，比較它們?cè)?00℃ 淬火時(shí)的冷卻曲線，分析淬火介質(zhì)溫度和濃度對(duì)淬火介質(zhì)冷卻能力的影響，對(duì)比選擇適合ZL114A鋁合金的淬火介質(zhì)。優(yōu)化淬火介質(zhì)的濃度和溫度因素，研究淬火介質(zhì)因素對(duì)ZL114A鋁合金組織、性能與變形的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 冷卻特性曲線的測(cè)定

分別選取PAG水溶性聚合物、聚乙烯醇和清水作為冷卻介質(zhì)。以ZL114A鋁合金為試驗(yàn)用材[6]，化學(xué)成分見(jiàn)表1。使用鄭州科慧KHR-02便攜式淬火介質(zhì)檢測(cè)儀檢測(cè)淬火介質(zhì)的冷卻性能。先配制好淬火介質(zhì)水溶液，再將加熱到某一溫度的鋁合金試件迅速投入介質(zhì)溶液中，在淬火介質(zhì)特性測(cè)試儀上用銀探頭(φ16 mm×48 mm)測(cè)定鋁合金試樣溫度隨冷卻時(shí)間變化的曲線，并繪制出介質(zhì)在不同使用溫度下的冷卻特性曲線。

表1 ZL114A鋁合金的化學(xué)成分Table1 The chemical composition of ZL114A alloy%

1.2 試樣的性能及變形測(cè)定

制備6根試桿作性能試樣(如圖1a所示，編號(hào)a1—a6)，6個(gè)圓環(huán)作變形試樣(如圖1b所示，編號(hào)b1—b6)，分別對(duì)試桿和圓環(huán)進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。工藝參數(shù)為:300℃ ×0.5 h+400℃ ×0.5 h+535℃×14 h+180℃ ×6 h，固溶采用RJJ-36-6井式空氣循環(huán)電阻爐，淬火時(shí)分別在裝有不同溫度和濃度PAG的不銹鋼桶中進(jìn)行，時(shí)效采用SX2-2.5-10型箱式電阻爐。淬火后用游標(biāo)卡尺檢測(cè)變形試樣的變形ΔLi，ΔLi=|Li－ L0|，ΔLi即表示熱處理后尺寸變化量，采用CMT-5105微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試桿的抗拉強(qiáng)度Rm。

圖1 ZL114A性能試樣和變形試樣Fig.1 Scheme of ZL114A alloy used for measuring mechanical properties and deformation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 PAG、聚乙烯醇和水的冷卻性能

先把鋁合金試樣加熱到535℃，再將其迅速投入淬火介質(zhì)溶液中，把試樣溫度隨時(shí)間變化的曲線記錄下來(lái)，即可得到試樣在不同淬火介質(zhì)中的冷卻特性曲線。PAG、聚乙烯醇和清水在相同溫度下的冷卻特性曲線如圖2所示，發(fā)現(xiàn)PAG水溶性聚合物淬火介質(zhì)在450℃時(shí)的冷卻特性與聚乙烯醇十分接近，大大降低了淬火過(guò)程中的熱應(yīng)力;在450～250℃時(shí)的冷卻特性與水接近，保證了合金組織的穩(wěn)定，防止發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，而聚乙烯醇的冷卻速度開(kāi)始下降;在250～200℃時(shí)的冷卻速度比聚乙烯醇快，比水慢。

圖2 PAG、聚乙烯醇和水的冷卻曲線Fig.2 Cooling curves of PAG，poly and water

PAG在相同濃度不同溫度下的冷卻特性曲線如圖3所示，淬火介質(zhì)在淬火過(guò)程中物態(tài)變化可以分成蒸汽、沸騰和對(duì)流等3個(gè)階段[7]，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)PAG在淬火過(guò)程中有物態(tài)變化，隨介質(zhì)溫度的升高，介質(zhì)粘度的增大，汽化困難，蒸汽膜階段增長(zhǎng)，推遲泡狀沸騰階段，使最大冷卻速度及其所對(duì)應(yīng)的溫度下降。淬火介質(zhì)最大冷速的降低伴隨著淬火蒸汽膜時(shí)間的延長(zhǎng)，說(shuō)明淬火介質(zhì)溫度對(duì)冷卻能力的影響主要是通過(guò)延長(zhǎng)蒸汽膜的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著水溫的升高，不僅最大冷速降低，特性溫度點(diǎn)也會(huì)隨之降低。

圖3 不同溫度的PAG冷卻曲線Fig.3 Cooling curves of PAG at different temperatures during quenching

圖4 淬火介質(zhì)3階段示意Fig.4 The three phase diagram of quenching medium

PAG在不同濃度和相同溫度下的冷卻特性曲線如圖5所示，發(fā)現(xiàn)在淬火過(guò)程中，隨著PAG濃度的增加，其最大冷速逐漸降低。主要由于濃度越高，介質(zhì)粘度越大，氣化困難，蒸汽膜階段延長(zhǎng)，冷卻速度降低，說(shuō)明PAG濃度是影響低溫淬火過(guò)程中冷卻速度的主要因素之一。對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，PAG在低溫冷卻過(guò)程可以依靠濃度調(diào)節(jié)其冷卻速度，而水和聚乙烯醇必須依靠改變水溫使淬火過(guò)程中產(chǎn)生蒸汽膜來(lái)調(diào)節(jié)冷速，從節(jié)能和減小鋁合金變形來(lái)看，PAG比水和聚乙烯醇具有更好的效果。

圖5 不同濃度PAG淬火時(shí)的冷卻曲線Fig.5 Cooling curves of PAG at different concentrations during quenching

2.2 PAG濃度對(duì)試樣性能、變形和組織的影響

將性能和變形試樣分為3組，分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，15%和20%的PAG中進(jìn)行淬火冷卻試驗(yàn)，介質(zhì)溫度為40℃，經(jīng)不同濃度PAG淬火介質(zhì)淬火后試樣的抗拉強(qiáng)度和變形見(jiàn)表2。發(fā)現(xiàn)隨著介質(zhì)濃度的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，同時(shí)變形量逐漸減少。介質(zhì)濃度的變化將影響合金淬火時(shí)的冷卻速率，隨著濃度的逐步增加，冷卻速率逐漸減小，導(dǎo)致試樣抗拉強(qiáng)度降低，變形量減少。

表2 合金在不同濃度的PAG中淬火后的強(qiáng)度和變形Table2 Strength and deformation of alloy quenched in PAG at different concentrations

性能試樣分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，15%和20%的PAG中進(jìn)行淬火試驗(yàn)后，金相顯微組織如圖6所示?？梢钥闯?，ZL114A鋁合金顯微組織主要由α-Al、共晶 Si、Mg2Si及雜質(zhì)鐵相等組成[8]。合金試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的介質(zhì)中淬火后，晶界處共晶硅大部分呈顆粒狀，Mg2Si數(shù)量較少;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，共晶硅呈桿狀或顆粒狀，有少量Mg2Si存在;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，共晶硅大部分呈桿狀，有大量Mg2Si存在。不同濃度PAG淬火介質(zhì)反映的是合金淬火時(shí)不同的冷卻速率。合金淬火后，合金形成的是空位和溶質(zhì)均為過(guò)飽和態(tài)的固溶體，而溶質(zhì)原子容易偏聚在晶界附近，因此晶界處Mg和Si含量較高[9]。當(dāng)淬火冷卻速率比較高時(shí)，如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，沉淀相沒(méi)有充足的時(shí)間形核析出，因此晶界上很少或基本沒(méi)有析出相。隨淬火冷卻速率降低，溶質(zhì)原子有較充足的時(shí)間形核析出并擴(kuò)散到晶界，沉淀相在晶界析出的數(shù)量增加，且沉淀相的尺寸相應(yīng)增大[10－11]。

圖6 合金在不同濃度的PAG中淬火后的顯微組織Fig.6 Microstructure of alloy quenched in PAG at different concentrations

2.3 PAG溫度對(duì)試樣性能、變形和組織的影響

將性能和變形試樣分別在溫度為25，40和55℃的PAG中進(jìn)行淬火試驗(yàn)，介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。經(jīng)不同溫度PAG淬火介質(zhì)淬火后試樣的抗拉強(qiáng)度和變形見(jiàn)表3，發(fā)現(xiàn)隨著介質(zhì)溫度的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，同時(shí)變形量逐漸減少，介質(zhì)溫度變化將影響合金淬火時(shí)的冷卻速率。隨著溫度的逐步增加，冷卻速率逐漸減小，導(dǎo)致試樣的抗拉強(qiáng)度降低，變形量減少。

表3 合金在不同溫度的PAG中淬火后的強(qiáng)度和變形Table3 Strength and deformation of alloy quenched in PAG at different temperatures

性能試樣分別在溫度為25，40和55℃的PAG中進(jìn)行淬火試驗(yàn)后，金相顯微組織如圖7所示。發(fā)現(xiàn)合金試樣在溫度為25℃的PAG中淬火后，因冷卻速率較高，Mg2Si沒(méi)有足夠的時(shí)間形核析出，在晶界上很少或基本沒(méi)有Mg2Si存在，共晶硅大部分呈顆粒狀;溫度為40℃時(shí)，冷卻速度降低，有少量Mg2Si存在，共晶硅呈桿狀或顆粒狀;溫度為55℃時(shí)，冷卻速度大幅降低，有大量Mg2Si存在，共晶硅大部分呈桿狀。

圖7 合金在不同溫度的PAG中淬火后的顯微組織Fig.7 Microstructure of alloy quenched in PAG at different temperatures

3 結(jié)語(yǔ)

1)PAG可以通過(guò)改變其濃度調(diào)節(jié)冷卻速度，降低ZL114A鋁合金淬火過(guò)程中冷卻能力的影響主要通過(guò)延長(zhǎng)形成蒸汽膜的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比水和聚乙烯醇具有更好的淬火效果。

2)PAG使用溫度和濃度越低時(shí)，淬火后ZL114A鋁合金試樣獲得的強(qiáng)度越高，組織越細(xì)小且比較均勻，但變形量卻較大。

3)采用PAG作為ZL114A鋁合金的淬火介質(zhì)，為使其獲得較好的組織與力學(xué)性能，同時(shí)保持較少的變形量，PAG的使用溫度應(yīng)大致控制在40℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%左右。

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