4032鋁合金棒材熱處理工藝研究

張喜迅，李廣欽

(青海國鑫鋁業(yè)股份有限公司，青海西寧810007)

4032鋁合金屬于高硅合金，具有熱膨脹系數(shù)低、耐磨性能好、高溫強度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機活塞和發(fā)動機缸體的制造等領(lǐng)域，特別是隨著我國鐵路、公路運輸業(yè)的發(fā)展，其用量越來越大。由于其在工作中需承受高溫、高壓和往復(fù)運動摩擦等，除了具有以上優(yōu)點外，還需具有抗腐蝕性、導(dǎo)熱系數(shù)小、疲勞性能好、使用壽命長等特點【1－2】。由于4032合金含硅量高，內(nèi)部組織中的初晶硅和不規(guī)則形狀的共晶硅都會對材料的綜合性能造成很大影響。而作為需要進(jìn)行二次加工的產(chǎn)品，不僅要求具有較高的強度，還要求具有較高的塑性。為了滿足需求，我公司通過采用先進(jìn)熔煉、變質(zhì)處理和鑄造工藝，嚴(yán)格控制共晶硅的形態(tài)和尺寸，杜絕了初晶硅的存在。為了進(jìn)一步提升4032合金擠壓棒材的綜合性能，采用優(yōu)化熱處理工藝是一條重要的途徑。本文通過對4032鋁合金棒材進(jìn)行熱處理試驗，研究了不同熱處理制度對合金組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗方法

試驗所用的4032合金棒材，其規(guī)格為Φ110mm圓棒，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。4032合金熔煉、變質(zhì)、鑄造等工藝，是經(jīng)過大量試驗獲得的成熟工藝，可生產(chǎn)Φ127～Φ605mm不同規(guī)格的圓鑄錠，共晶硅尺寸控制在0.05mm以下，沒有初晶硅存在。棒材在55MN雙動反向擠壓機上完成擠壓。

表1 4032合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of 4032 alloy

試樣采用表2所示的工藝制度進(jìn)行淬火、自然時效及人工時效處理。在AG－X100KN材料試驗機上進(jìn)行拉伸試驗，使用拉伸軟件控制拉伸過程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，拉伸速率為1.5mm/min。利用AX40MAT金相顯微鏡觀察內(nèi)部組織形貌，用以解釋不同熱處理工藝對合金性能影響的機理。

表2 熱處理工藝Tab.2 Schemes of heat treatment process

方案 熱處理工藝3 520±2℃ ×3h;自然時效3h;170±2℃ ×130min 4 520±2℃ ×3h;自然時效3h;170±2℃ ×200min

2 結(jié)果及討論

所測試樣的力學(xué)性能如表3所示，采用方案1的試樣抗拉強度和屈服強度最高，斷后伸長率最小，低于標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求，綜合性能無法滿足需求。采用方案2的試樣，雖然斷后伸長率有所提高，但仍不能滿足需求。采用方案3的試樣，斷后伸長率大幅度上升，滿足了要求，而抗拉強度和屈服強度大幅度下降，低于標(biāo)準(zhǔn)要求。采用方案4的試樣，其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)和客戶所要求的值。

表3 試樣力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of test samples

為了提升合金中強化相的固溶度，提高合金力學(xué)性能，應(yīng)盡可能升高淬火加熱溫度。但是，合金中的共晶硅會在加熱過程中聚集、球化，以及不溶相的球化又會使合金力學(xué)性能惡化【1－4】。經(jīng)綜合考慮采用520±2℃ ×3h的固溶處理工藝。

對于4032合金，在固溶處理后應(yīng)立即進(jìn)行峰值人工時效，可以獲得高的強度，但是伸長率較低。同樣的固溶和人工時效制度，人工時效前在室溫下自然時效2h以上，雖然強度有所降低，但是可獲得較高的伸長率【3】。從表3試驗結(jié)果可以看出，相同的熱處理工藝下，自然時效3h，伸長率由1.2%提高至2.3%，強度略有下降。由于合金中含有鎂、銅元素，可以形成S(Al2CuMg)、Mg2Si及CuAl2強化相，所以淬火后既可自然時效，也可人工時效。自然失效階段相當(dāng)于雙級時效中的低溫預(yù)時效階段，即成核階段;人工時效為穩(wěn)定化階段，這樣經(jīng)過雙級時效可使晶界上強化相質(zhì)點球化，打破了晶界析出相的連續(xù)性，使組織得到改善，提高了韌性，但同時由于晶粒內(nèi)的質(zhì)點發(fā)生粗化，導(dǎo)致強度有所降低。

圖1為拉伸試樣斷口宏觀圖，從左至右分別為方案1至4試樣斷口。從斷口形貌上看，方案1試樣斷口大部分區(qū)域都垂直于拉伸方向，呈現(xiàn)出典型的階梯狀解理斷口形貌，方案2試樣呈現(xiàn)出部分河流狀的準(zhǔn)解理斷口形貌和部分解理狀斷口形貌。這很好地解釋了合金具有很低的延展性，而方案2試樣的延展性又高于方案1試樣。方案3和方案4試樣都呈現(xiàn)出部分河流狀的準(zhǔn)解理斷口形貌和部分韌窩狀的斷口形貌，相對于方案4試樣，方案3試樣斷口呈現(xiàn)出明顯的剪切區(qū)。這很好地解釋了方案3和方案4試樣的延展性優(yōu)于方案1和方案2試樣的，同時方案3試樣的延展性又優(yōu)于方案4試樣的【5】。

圖1 拉伸試驗斷口宏觀圖Fig.1 Macro fracture morphology of test samples

圖2為方案1至4試樣金相組織圖。從圖2中可以看出，方案1、2試樣中的共晶硅、金屬間析出相明顯較方案3、4試樣中的大，且較為集中，其中方案1試樣中的分布最為集中且比方案2試樣中的細(xì)小，方案3試樣中的分布最為均勻且細(xì)小，集中部分都在晶界周圍。這說明第一階段的自然時效對金屬間析出相的均勻分布起到了較為明顯的優(yōu)化作用，但在同時也使得共晶硅和金屬間析出相發(fā)生了粗化，這也是方案1試樣強度高于方案2試樣的而伸長率低于方案2試樣的原因。隨著人工時效時間的延長，共晶硅和金屬間析出相逐步粗化且分布逐漸向晶界周圍集中，球化程度逐漸減弱，條狀、不規(guī)則形狀共晶硅和金屬間析出相逐漸增多。球形析出相可以降低沿晶界斷裂時的應(yīng)力集中，避免了晶界過早產(chǎn)生裂紋形核，提高合金的斷裂韌性【6】，是方案3、4試樣伸長率較高的主要原因;尺寸較大的富含Ni、Fe的脆性相，成為試樣容易斷裂的裂紋源【7】，共晶硅和金屬間析出相在晶界周圍的集中，有效地阻礙了斷裂時裂紋的擴展，提高了試樣的強度。

圖2 試樣的金相組織(1000X)(1～4分別為方案1～4試樣)Fig.2 Microstructure of test samples(1000X)

3 結(jié)論

(1)同樣的固溶和人工時效制度，人工時效前自然時效3h，雖然強度有所降低，但可以較大幅度地提高伸長率;

(2)綜合成本、產(chǎn)品性能等各方面因素考慮，最優(yōu)化的熱處理工藝為:淬火工藝，520±2℃ ×3h;時效工藝，自然時效3h，人工時效170±2℃ ×200min;

(3)通過優(yōu)化熱處理工藝處理后，可獲得抗拉強度378MPa、屈服強度329MPa、斷后伸長率5.3%的力學(xué)性能，超過標(biāo)準(zhǔn)和客戶的要求。

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