QAL10-4-4熱處理制度的優(yōu)化

程慧明

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

某國(guó)外引進(jìn)裝備的關(guān)鍵零件由國(guó)產(chǎn)化材料鋁青銅QALl0—4—4制造，其設(shè)計(jì)圖樣要求為HB=170～220，由于其設(shè)計(jì)材料購(gòu)買(mǎi)困難，不能使用原設(shè)計(jì)材料制造，使用GB/T1528-1997QALl0-4-4R材料制造，實(shí)際生產(chǎn)中按規(guī)定的工藝參數(shù)熱處理后硬度為HB=228～269，不符合“HB=160～230”的技術(shù)要求。為此，我們對(duì)QALl0-4-4鋁青銅棒材的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了一系列的生產(chǎn)試驗(yàn)研究，以達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

材料牌號(hào)為QALl0—4—4，材料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T1528-1997，材料狀態(tài)為R（擠制），材料規(guī)格為G95×22.5×70，試驗(yàn)材料的進(jìn)廠檢查驗(yàn)收均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。布氏硬度檢查設(shè)備為HB-3000B，淬火、回火用設(shè)備分別為YRX3-55-9、YRX3-45-7，金相顯微鏡為PMG3-613U。

2 試驗(yàn)工藝

生產(chǎn)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)符合生產(chǎn)實(shí)際，故需嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)驗(yàn)證，應(yīng)遵循HB/Z216-92《銅及銅合金熱處理工藝說(shuō)明書(shū)》要求進(jìn)行熱處理，熱處理制度為：固溶：（900～950）℃，保溫60min～120min，時(shí)效；回火：（550～650）℃，保溫60min～120min，空冷，HB=190～240。

為探討固溶溫度與固溶后硬度的關(guān)系，分別在900℃和950℃對(duì)試樣進(jìn)行固溶后(保溫時(shí)間均為2h)，在分別在550℃、580℃、610℃、650℃時(shí)效2h，試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 550 120 262 5 600 120 255 6 650 120 235 950 120

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

QALl0-4-4為鋁青銅合金，其耐磨耐蝕性能使得其在裝備中為數(shù)不多的銅合金材料中占有重要位置。QALl0-4-4材料的組織主要由α、β′、k相構(gòu)成。在構(gòu)成復(fù)雜鋁青銅合金組織的各種物相中，α相的塑性好，而硬度低；β′馬氏體相的硬度比α相高，但塑性較差；k相為一系列金屬間化合物，包括Fe3Al、FeAl和NiAl等，硬度最高。上述物相的體積分?jǐn)?shù)、形態(tài)和尺寸是影響合金力學(xué)性能的主要因素。

由表1可知，在熱處理標(biāo)準(zhǔn)制度范圍內(nèi)進(jìn)行不同的固溶時(shí)效工藝進(jìn)行處理后，對(duì)試樣進(jìn)行了硬度檢驗(yàn)，其結(jié)果均達(dá)不到設(shè)計(jì)圖樣要求。

（1）由表1可以看出，固溶溫度越高，固溶后材料的硬度越高。隨著固溶溫度的提升，K相金屬件化合物（AlFeNi）溶入基體就越多，使得基體合金元素含量就越多，冷卻時(shí)K相從α相及β相中析出，產(chǎn)生沉淀硬化，具有較高的強(qiáng)度和硬度，從而提高了材料的強(qiáng)度、硬度。當(dāng)固溶溫度較低時(shí)，由于大量的α相及β相殘留，使基體中合金元素含量減少，生成較多的α相，不利于最后的強(qiáng)化[1]，由于α相及β相殘留及分布不均勻或過(guò)飽和固溶體分解不均勻，引起電化學(xué)不均勻，從而促使晶界發(fā)生晶間腐蝕損傷，對(duì)該零件的腐蝕性能有不利影響。

（2）由表1可知，固溶溫度越高，固溶后材料的硬度越高，故降低固溶溫度可降低鋁青銅固溶時(shí)效后的硬度；隨著時(shí)效溫度的升高，材料的硬度在逐步的降低。

4 驗(yàn)證方案的確認(rèn)、實(shí)施和分析

4.1 驗(yàn)證方案的確認(rèn)、實(shí)施

（1）根據(jù)表1的結(jié)果和航標(biāo)規(guī)定的熱處理制造，固溶溫度選定為900℃，固溶保溫時(shí)間為120min，時(shí)效溫度從660℃，以10℃增幅進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)效保溫時(shí)間為120min，直至布氏硬度達(dá)到HB=170～220。金相圖片見(jiàn)圖1。

圖1 900℃固溶，700℃時(shí)效的金相組織

（2）根據(jù)表1的結(jié)果和航標(biāo)規(guī)定的熱處理制造，固溶溫度從890℃開(kāi)始，以10℃幅度進(jìn)行遞減試驗(yàn)，固溶保溫時(shí)間為120min，時(shí)效溫度為650℃，時(shí)效保溫時(shí)間為120min，直至布氏硬度達(dá)到HB=170～220。

（3）采用原材料直接從650℃開(kāi)始，以10℃的增幅進(jìn)行試驗(yàn)，直至布氏硬度達(dá)到HB=170～220，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4.2 驗(yàn)證方案分析

（1）根據(jù)驗(yàn)證方案1的方法，將時(shí)效溫度提升至700℃，其硬度符合設(shè)計(jì)圖樣要求。QAL10-4-4的硬度主要是基體硬度、合金元素的固溶強(qiáng)化和析出相K相的析出強(qiáng)化。當(dāng)時(shí)效溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變文圖450℃時(shí)，合金的基體為馬氏體組織，本身具有很高的硬度，且在時(shí)效過(guò)程中K相持續(xù)析出，彌散分布于基體組織上，對(duì)合金整體有彌散強(qiáng)化作用，導(dǎo)致合金的硬度進(jìn)一步增加。當(dāng)時(shí)效溫度高與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，硬質(zhì)馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嘬浖w，同時(shí)隨著時(shí)效溫度的增加，K相雖然也有析出，減弱K相的彌散強(qiáng)化作用，進(jìn)一步降低合金的硬度[2]。

（2）根據(jù)驗(yàn)證方案1的方法，將固溶溫度降低至850℃，其硬度符合設(shè)計(jì)圖樣要求。如合金的固溶溫度過(guò)低，其第二相不能充分固溶入基體中，而且溶質(zhì)分布不均勻，不僅會(huì)降低材料的硬化能力，還會(huì)在時(shí)效時(shí)容易防守不連續(xù)脫溶和晶界反應(yīng)，從而惡化材料的性能。

5 結(jié)論

由于設(shè)計(jì)圖樣為國(guó)外引進(jìn)技術(shù)文件，其使用的材料均為原設(shè)計(jì)材料，原材料國(guó)產(chǎn)化時(shí)，其材料成分與原設(shè)計(jì)材料在材料成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面均有一定差異，故使用國(guó)產(chǎn)材料及標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法達(dá)到原圖樣設(shè)計(jì)要求。由于固溶溫度的降低，導(dǎo)致其第二項(xiàng)不能充分溶入基體中，且會(huì)對(duì)K相析出有一定影響，綜合以上分析，QAL10-4-4鋁青銅需達(dá)到圖樣設(shè)計(jì)HB=170～220要求，應(yīng)選擇固溶溫度為900℃，固溶保溫120min，水冷，時(shí)效溫度為700℃，時(shí)效保溫時(shí)間120min，空冷。