鋁含量及淬火溫度對軸承保持架性能與組織的影響

金炳全

（連云港美士迪冶金設(shè)備有限責(zé)任公司，江蘇 連云港 222000）

1 材料介紹

1.1 化學(xué)成分

QAl10-3-1.5 的化學(xué)成分如下（YB147-71）。

表1 QAl10-3-1.5 的化學(xué)成分分析

表2 化學(xué)雜質(zhì)成分分析

1.2 QAl10-3-1.5主要特性

具有高的機械性能，耐蝕，耐磨，耐寒，沖擊時不生火花，流動性好，偏析傾向小，可得到致密鑄錠和鑄件。適合制造高強度零件及各種標準件[1]。

1.3 相圖分析

從銅-鋁系相圖可見，含7.4%～9.4%鋁的合金在1036℃～565℃范圍呈α+β 兩相組織，當緩慢冷卻時，合金中的β →α。但在實際生產(chǎn)中，β →α 相變過程，往往不能全部完成，仍保留一部分β 固溶體，隨后發(fā)生共析分解形成（α+γ2）共析體。其中α 相是鋁在銅中的固溶體，具有面心立方點陣，有較高的強度和優(yōu)良的冷熱加工工藝性能，γ2 是一硬脆相，它的出現(xiàn)會使硬度、強度升高，塑性下降。

含9.4%～15.6%鋁的合金緩慢冷卻到565 ℃時，會發(fā)生β →α+γ2 轉(zhuǎn)變，形成共析體組織。

但是，β 相的共析分解比較緩慢，它在快速冷卻時，會來不及分解，產(chǎn)生亞穩(wěn)定的β＇組織。β 相是以電子化合物Cu3Al 為基的固溶體，體心立方點陣，只在溫度高于565℃以上穩(wěn)定存在。β＇相是密排六方點陣，在低溫時相當穩(wěn)定。但當將β＇相加熱到一定溫度回火時，會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

2 試驗過程

在其他成分相對合格穩(wěn)定的情況下，為了滿足產(chǎn)品性能要求，結(jié)合相圖及等溫轉(zhuǎn)變圖，我們選擇淬火及淬火加低溫回火兩種熱處理方案。試樣及試驗工藝如下：

（1）1#（8.37%Al）、2#(8.59%Al)、3#(8.94%Al)三個試料，按900±10℃加熱保溫1 小時30 分鐘，水冷淬火。

（2）4#（8.93%Al）、5#(9.06%Al)二個試料按880℃±10℃加熱保溫1 小時30 分鐘，水冷淬火。

（3）6#（8.93%Al）試料按860±10℃加熱保溫1 小時30 分鐘，水冷淬火。

以上試驗料每料取8 塊試樣，4 塊試樣打硬度，做機械性能和金相，另4 塊試樣按340℃～360℃加熱保溫1 小時回火，回火后打硬度，做機械性能和金相。試樣性能、硬度、金相編號相對應(yīng)，取樣如圖3 所示。

圖1 料塊取樣圖形結(jié)構(gòu)

機械性能試驗在10T 材料試驗機上進行，硬度在HB3000 型布氏硬度計上進行，金相觀察及圖片攝取在奧林帕斯Ⅱ型顯微鏡上進行。各試驗料試驗結(jié)果如下(4 塊試樣平均值)：

表3 淬火回火工藝試驗分析

3 試驗結(jié)果分析

將試驗結(jié)果的平均值繪制在σb-Al%，δ5-Al%和HBS-Al%圖上。

圖2 σb-Al%淬火回火試驗對比

圖3 δ5-Al%淬火回火實驗分析

圖4 HBS-Al%淬火回火實驗分析

由圖2、圖3、圖4 可見：

（1）900℃淬火含Al 量在8.37%～8.94%范圍內(nèi)時，強度、硬度隨含Al 量增加而增加，而延伸率則下降。

（2）880℃淬火，含Al 量在8.93%～9.06%范圍內(nèi)，強度隨含Al 量增加而增加，延伸率和硬度則有所下降。

（3）由成分相同及相近的3#（8.94Al%）、4#（8.93Al%）、6#（8.93Al%）三組數(shù)據(jù)對比可見，在相同含Al 量情況下，900℃淬火具有高的強度和硬度，而延伸率居中。880℃淬火，強度和延伸率都低，硬度較900℃淬火低。860℃淬火，強度較900℃淬火稍低，硬度和880℃淬火接近，而延伸率最高。

（4）回火料的硬度均比淬火料高，強度在含Al 量低時及860℃淬火時回火料比淬火料低，其他情況下比淬火料高。延伸率在880℃淬火時回火料比淬火料低，其他情況下比淬火料高。

（5）從金相圖片上觀察，可以看到淬火和回火狀態(tài)的組織均為α+β＇。隨著含Al 量的增加，α 相數(shù)量減少，由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻?。對?#（8.94Al%）、4#（8.93Al%）、6#（8.93A%）可以看到α 相數(shù)量還隨淬火溫度提高而減少，且由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻睢?/p>

4 結(jié)果討論

（1）經(jīng)熱加工和淬火處理的QAl10-3-1.5 其性能并不像鑄態(tài)時那樣簡單的隨Al 含量增加，強度、硬度升高，延伸率下降。它受Al 含量和熱處理工藝的雙重影響[2，3]。

（2）由于淬火冷速快，β 相在低溫時未發(fā)生分解，而轉(zhuǎn)變成為密排六方點陣的介穩(wěn)定相β＇，抑制了γ2 相的產(chǎn)生。

（3）回火在340℃～360℃之間進行，根據(jù)二元鋁青銅等溫轉(zhuǎn)變圖可知，β＇將不會分解而被保留下來，這與顯微組織觀察的結(jié)果是一致的。由于回火溫度低，回火后的性能與淬火時相比差距并不是很大。

（4）Al 含量不超過9.4%時，組織中有足夠的α 相。通過高溫淬火可保留一定的β＇相，這樣，就使得合金既具有高的強度和硬度，又具有良好的塑性。

（5）通過對α 相的數(shù)量和組織形態(tài)分析，可以間接判斷在一定含鋁量時，淬火溫度的高低。

（6）此次試驗受實驗條件和取樣數(shù)量的限制，在以后條件許可的情況下，我們將擴大這一問題的探討范圍，并考慮次添加元素的影響。

（7）通過試驗，我們對這種合金有更進一步的認識，為今后更廣泛地應(yīng)用積累了一定的技術(shù)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

QAl10-3-1.5 的機械性能和組織狀態(tài)受鋁含量和熱處理工藝的共同影響。通過試驗數(shù)據(jù)的積累，我們確定了公司內(nèi)部產(chǎn)品技術(shù)要求。與毛坯廠家協(xié)商將鋁含量控制在冶金部標準的中下限，次添加元素符合冶標。熱處理工藝采用900℃±10℃，加熱保溫1 小時30 分鐘，水冷淬火。按此工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品送至廠家，經(jīng)試用完全符合要求。