淬火水溫對(duì)Al-Cu合金組織性能的影響

蘇 陽(yáng)，郜均虎，丁佐軍，胡劍偉，吳佳慧

（無(wú)錫派克新材料科技股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214161）

在眾多鋁合金中，以Al-Cu-Mg為代表的2000系高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好、耐腐蝕、加工性能好、易被回收以及可熱處理強(qiáng)化等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天[1]、國(guó)防軍事[2]和人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中。Al-Cu合金是一種典型的鋁合金，具有良好的高低溫力學(xué)性能、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性及焊接性能。其工作溫度為-270～300℃，其材料品種有板、管、棒、型、線材與鍛件，主要用在航天航空領(lǐng)域[3]。

溫度和不同時(shí)間淬火后再進(jìn)行塑性變形對(duì)Al-Cu合金穩(wěn)定變形壓力有一定影響[4]，故選擇合適的淬火溫度和時(shí)間對(duì)保證合金穩(wěn)定性具有重要作用。Al-Cu合金環(huán)鍛件鍛軋成形時(shí)，工件尺寸較大，變形不均勻，固溶后的淬火水溫不合理會(huì)導(dǎo)致工件淬裂或軸向和徑向會(huì)塑性不達(dá)標(biāo)。因此，急需從對(duì)大尺寸Al-Cu合金的淬火水溫進(jìn)行研究，從而得到較優(yōu)的力學(xué)性能[1]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文所用材料為工業(yè)輾制成形Ф950mm/Ф775 mm×160 mm的Al-Cu合金環(huán)軋件，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）組 成 為Al-6.23 Cu-0.24 Mn-0.14 Fe-0.1mg，合金化學(xué)成分符合GJB 2057標(biāo)準(zhǔn)。將工業(yè)輾制成形的尺寸為Ф950mm/Ф775 mm×160 mm鋁合金環(huán)鍛件，沿圓周方向進(jìn)行20等分，取其中4塊，均在535℃溫度下固溶3.5h，然后分別在25℃、35℃、45℃、55℃水中淬火，其中淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)10s，固溶與時(shí)效之間的時(shí)間間隔為1h。最后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中時(shí)效18h，空冷。

通過(guò)金相組織分析和拉伸性能測(cè)試探究淬火水溫對(duì)Al-Cu合金組織性能的影響。根據(jù)GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》用線切割切取力學(xué)性能測(cè)試試樣，并在CMT-5105型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定合金的拉伸性能，所有力學(xué)性能均取3個(gè)試樣的平均值，在Zeiss金相顯微鏡上觀察合金的微觀組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火水溫對(duì)材料微觀組織的影響

將Al-Cu合金試塊在535℃溫度下固溶3.5h，分別在不同水溫中淬火，并在干燥箱中時(shí)效18h，其金相顯微組織如圖1所示。由圖可知，淬火水溫對(duì)Al-Cu合金固溶后的晶粒組織大小有較明顯的影響，隨著淬火水溫的提高，晶粒大小總體呈現(xiàn)長(zhǎng)大趨勢(shì)。試樣固溶后經(jīng)55℃水溫淬火冷卻后所得到的晶粒組織最大，經(jīng)35℃水溫淬火冷卻后所得到的晶粒組織最小。

在固溶溫度和保溫時(shí)間相同時(shí)，隨著淬火介質(zhì)溫度的升高，晶粒增大，介質(zhì)的冷卻速度越快，晶粒越細(xì)小。這是因?yàn)樵谠俳Y(jié)晶過(guò)程中，冷卻速度越快，形核所需要達(dá)到的過(guò)冷度越易達(dá)到，形核越多，故晶粒越細(xì)小。

2.2 淬火水溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響

圖1 不同淬火水溫下Al-Cu合金的金相組織

在熱處理后的4塊試塊上用線切割沿切向分別掏取3個(gè)Ф16×160的圓形試棒，并車削成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，測(cè)定不同淬火水溫對(duì)其力學(xué)性能的影響，其結(jié)果如圖2所示。由圖可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著淬火水溫的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先升后降，而延伸率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)水溫為25℃時(shí)，材料的綜合力學(xué)性能最好，當(dāng)水溫為35℃時(shí)，材料的強(qiáng)度最高。

圖2 不同淬火水溫下Al-Cu合金的力學(xué)性能

當(dāng)試樣在535℃溫度下固溶3.5h后，合金元素已充分的溶入到基體中，固溶體的過(guò)飽和程度較大，固溶體均勻，淬火時(shí)，在冷卻至室溫的過(guò)程中，水溫不同，冷卻速度不同，從過(guò)飽和固溶體中析出的第二相數(shù)目不同，從而導(dǎo)致人工時(shí)效時(shí)的強(qiáng)化效果不同。此外，淬火水溫越低，其晶粒組織越細(xì)小，晶界增多，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

考慮實(shí)際生產(chǎn)中工件的形狀與尺寸，鍛件在水中淬火急冷會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致工件的變形與開(kāi)裂，但淬火水溫過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致晶間腐蝕傾向和橫向伸長(zhǎng)率下降等現(xiàn)象[6,7]。所以，綜合考慮最佳的淬火水溫不低于35℃。

3 結(jié)論

（1）隨著淬火水溫的升高，合金的強(qiáng)度先升高后降低，而塑性逐漸降低；淬火水溫對(duì)合金固溶后的晶粒大小有較大影響，晶粒隨淬火水溫的升高呈現(xiàn)長(zhǎng)大趨勢(shì)。

（2）考慮到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，較佳的淬火水溫應(yīng)不低于35℃。