淬火溫度對QAl10-5-5銅鋁合金組織性能的影響

朱佳博，南黃河，何 冰

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 渭南 714000)

銅-鋁合金是一種新型的銅合金，不僅具有銅合金的優(yōu)良性能，同時比青銅類合金具有更高的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能[1-3]。因此廣泛的被應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，如重工制造、機(jī)械制造、電器制造及航空航天等[4-6]。但隨著時代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，常用的普通銅-鋁合金的強(qiáng)度、硬度等性能已然不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的性能要求，因此發(fā)展高強(qiáng)度、塑韌性的鋁青銅合金非常有必要[7]。近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者對銅-鋁合金的研究方向主要集中在元素優(yōu)化、塑性成型及電化學(xué)腐蝕等方面。Song Q N等[8]通過對含鎳銅-鋁合金微量元素的添加，熱處理強(qiáng)化等方式研究固溶強(qiáng)化和力學(xué)性能的關(guān)系，并分析摩擦攪拌過程中合金的腐蝕行為。Guo X等[9]研究了鋁-銅合金不對稱軋制過程中剪切帶和織構(gòu)的變化方式，但均未研究不同溫度下QAl10-5-5銅-鋁合金的相變強(qiáng)化作用。

在二元鋁青銅中加入一些微量元素，如Mn、Ni等形成多元復(fù)雜鋁青銅，可大幅度提高其性能，且可通過熱處理強(qiáng)化[10-13]。因此研究多元復(fù)雜的鋁青銅合金很有必要。本研究將通過淬火時效熱處理的方式對銅鋁青銅合金進(jìn)行優(yōu)化，找出適宜的熱處理參數(shù)，使該合金性能滿足現(xiàn)代工業(yè)性能的要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為熱加工后的銅-鋁合金，合金的元素含量如表1所示。試驗(yàn)過程中采用單一變量法。保溫1h，分別在850～950℃不同溫度下水冷，進(jìn)行淬火處理，以常溫拉伸力學(xué)性能作為評估指標(biāo)，分別對淬火溫度進(jìn)行比較選出最佳熱處理工藝。

表1 合金的化學(xué)成分及元素含量 wt.%

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為銅-鋁合金淬火處理的顯微組織。由圖1a中可以看出，原始熱加工合金組織分布較為均勻，晶粒在熱加工過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒為等軸再結(jié)晶晶粒。晶粒組織多為Al溶于Cu中的面心立方淬火體α相，α相質(zhì)軟，呈白色狀，基本為等軸晶粒。沿α相晶界處存在黑色共析體，為點(diǎn)狀富Fe相k相分布在α相內(nèi)部和晶界共析體處，在基體中仍分布部分點(diǎn)狀的α相。經(jīng)850℃淬火后，如圖1b合金基體組織發(fā)生了相變作用，在溫度升高至850℃時，k相逐漸淬火于基體，α相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃uAl為基的淬火體β相，一般當(dāng)溫度冷卻至565℃左右時組織發(fā)生共析反應(yīng)，即β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?k相。但經(jīng)過淬火處理迅速冷卻，β相來不及全部轉(zhuǎn)變從而保留了β相，形成α+β+k組織，隨著迅速冷卻β相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o擴(kuò)散型的黑色β馬氏體強(qiáng)化相。隨著溫度升高至900℃，如圖1c，α+k迅速轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，合金中的為?k相逐漸減少，β相逐漸增多；淬火至950℃時，k相已基本完全淬火，合金中存在較多的黑色β相組織，存在針狀β馬氏體，如圖1d。

圖1 淬火處理的顯微組織

2.2 力學(xué)性能

圖2a為在常溫下分別測定銅鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，圖2b為常溫下測定銅鋁合金的延伸率。由圖2可知，隨著淬火溫度從850℃升高至950℃，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，而延伸率一直下降。在900℃以下淬火時，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸增大；淬火溫度在900℃時，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)最大值，抗拉強(qiáng)度為743MPa，屈服強(qiáng)度為421MPa；950℃淬火時，合金的強(qiáng)度迅速下降，這是因?yàn)獒槧铖R氏體為硬脆相，易生裂紋發(fā)生斷裂。因此可確定為適宜的淬火溫度為900℃，此時合金的抗拉強(qiáng)度為743MPa，屈服強(qiáng)度為421MPa，延伸率為11.5%。

如圖3為不同淬火溫度下的拉伸斷口。

圖3a在850℃淬火時，斷口的韌窩極淺且較少。圖3b升溫至900℃時，拉伸斷口上分布著明顯的解理面，合金的塑性降低，同時存在大小不同的淺韌窩，可以發(fā)現(xiàn)，合金的拉伸斷口呈現(xiàn)出韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂形貌特征。圖3c當(dāng)淬火溫度升高至950℃時，拉伸斷口基本為大小不同的解理面，韌窩消失，合金呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂，塑性很差。

圖2 力學(xué)性能測試

圖3 不同淬火溫度下拉伸斷口樣貌

3 結(jié)論

(1)QAl10-5-5銅鋁合金適宜的淬火處理溫度為900℃，在此溫度下，該合金的拉強(qiáng)度為743MPa，屈服強(qiáng)度為421MPa，延伸率為11.5%。

(2)銅鋁合金淬火后強(qiáng)化機(jī)制主要為淬火處理時馬氏體相變的作用，隨著淬火溫度的升高，馬氏體逐漸增多，導(dǎo)致合金的斷裂方式由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，塑性降低。