淺析2324鋁合金鑄態(tài)組織及均勻化處理

劉俊濤　張義　劉君城　冉凡青　崔莉

摘要：文章采用金相顯微鏡、掃面電鏡研究了2324鋁合金的鑄態(tài)組織，并對其進(jìn)行均勻化處理，結(jié)果表明：2324鋁合金的鑄態(tài)組織由三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），少量的Al2Cu相和少量的富Mn、Fe相組成，三元共晶相近似呈網(wǎng)狀分布。均勻化結(jié)果顯示，合理的均勻化制度為496℃×20h。

關(guān)鍵詞：2324鋁合金；鑄態(tài)組織；均勻化處理；金相組織；掃描組織 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG135 文章編號：1009-2374（2016）24-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.032

工業(yè)化大生產(chǎn)中，變形鋁合金的鑄造往往采用半連續(xù)直接水冷鑄造的生產(chǎn)方式，這就會引起合金組織偏析和成分偏析。往往采用均勻化處理的方式解決這一問題，即在低于共晶溫度以下，保溫一定時間，使合金中的低熔點(diǎn)共晶相溶解，減少第二相的尺寸和數(shù)量，使化學(xué)成分趨于平衡分布，從而提高合金的組織均勻性。

2324鋁合金是波音公司開發(fā)出的高強(qiáng)、高韌和高耐疲勞性能的航空鋁合金，主要用作飛機(jī)的骨架、隔框、肋梁等結(jié)構(gòu)件中。國內(nèi)外對2324鋁合金進(jìn)行了部分的報道和研究，如王奎民研究了冷變形對2324組織和性能影響，指出7%～13%冷變形時，2324合金具有良好的綜合性能。孫志強(qiáng)等研究了2324鋁合金時效成形過程中的微觀組織，認(rèn)為析出相擇優(yōu)生長主要取決于外加應(yīng)力場的方向。王奎民與張玉潔還就2324合金的預(yù)時效時間展開了研究，結(jié)果表明，預(yù)時效時間為4～10h時，合金具有良好的綜合性能。有關(guān)2324鋁合金鑄態(tài)組織及均勻化的相關(guān)報道較少。基于此，本文采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡研究了2324鋁合金的鑄態(tài)組織和均勻化處理工藝。

1 實(shí)驗材料及方法

試驗用材料為天津忠旺鋁業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的2324鋁錠，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）如表1所示。在實(shí)驗爐中將15×12×10mm（長×寬×高）的方形試樣，分別在491℃、494℃、496℃下進(jìn)行均勻化處理，處理時間為8～20h。均勻化熱處理爐精度在±1℃。試樣經(jīng)機(jī)械磨制，拋光后采用Keller試劑腐蝕3s。采用Zeiss Axio Vert.Al MAT金相顯微鏡觀察鑄態(tài)和均勻化態(tài)金相組織，采用Zeiss SuPRA55掃描電鏡對鑄態(tài)凝固析出相進(jìn)行觀察。

2 鑄態(tài)組織

2.1 金相組織

圖1所示為2324鋁合金的鑄態(tài)金相組織。從圖1（a）中可以看到，合金呈典型的枝晶形貌，主要由灰白色相和近似呈網(wǎng)狀分布的灰黑色組成；從圖1（b）中可以看出，灰黑色相由黑色和灰色層疊而成，呈典型的共晶組織形貌。從圖1中可以判斷出，灰白色為凝固初生相即α（Al）相，而灰黑色相為低熔點(diǎn)共晶相。

2.2 掃描組織

圖2所示為2324鋁合金鑄態(tài)的掃描形貌。從圖2（a）中可以更清晰地看到黑色相和白色相交替排布，這與圖1（b）中相對應(yīng)。圖2（b）和2（c）中還觀察到其他凝固析出相。表2為圖2對應(yīng)的EDS能譜結(jié)果，白色相B為Al2Cu相，灰色相C為Al2CuMg相，大塊的白色相為Mn、Fe富集相，A處區(qū)域為三元共晶相即α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg）相。綜上可以發(fā)現(xiàn)2324鋁合金鑄態(tài)組織主要由三元α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg）相、Al2Cu相和富Mn、Fe相組成。

3 均勻化組織

圖3所示為2324鋁合金經(jīng)不同均勻化制度處理后的金相組織。491℃均勻化時，經(jīng)8h處理后合金中的低熔點(diǎn)共晶相有初步的斷開，如圖3（a）所示，這表明此時低熔點(diǎn)相已開始回溶；經(jīng)14h處理后，未回溶相減少，但粗大的共晶相仍然有大量殘留，如圖3（b）所示；經(jīng)20h處理后，共晶相明顯減少，但仍然保留部分共晶特征，如圖3（c）所示。494℃×20h均勻化后，如圖3（d）所示，殘留相進(jìn)一步減少，且共晶組織特征幾乎消失不見，如圖3（e）所示。496℃×20h處理后，未回溶相進(jìn)一步減少，未出現(xiàn)過燒特征。

2324鋁合金是典型的Al-Cu-Mg-Mn合金，主要考慮的共晶組織是α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），根據(jù)成分的不同，其共晶熔化峰值溫度在503℃～507℃不等。均勻化退火是基于高溫條件下的保溫行為，其本質(zhì)是原子的擴(kuò)散運(yùn)動，遵循第一擴(kuò)散定律。均勻化過程中的主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時間。均勻化過程中，擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系可用Arrhenius公式表示如下：

式中：D為與溫度無關(guān)的系數(shù)；Q為擴(kuò)散激活能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度。從公式中可以看出，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，原子擴(kuò)散速度越快，偏析越容易消除，因此為了加速均勻化過程，應(yīng)在確保不過燒的前提下，盡可能地提高均勻化溫度。因此在研究范圍內(nèi)，選擇496℃×20h為合理的均勻化工藝。

4 結(jié)語

（1）2324鋁合金的鑄態(tài)組織主要由近似呈網(wǎng)狀分布的三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），少量的Al2Cu相和少量的富Mn、Fe相組成；（2）491℃均勻化時，保溫時間由8h延長到20h后，均勻化效果顯著提高，20h保溫時，均勻化溫度由491℃提高到496℃時，均勻化效果更好；（3）合理的均勻化工藝為496℃×20h。

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（責(zé)任編輯：王 波）