固溶時效處理對Cu-Al合金機械性能的影響研究*

王圣斌，周少東

(1. 安徽文達信息工程學(xué)院 智能制造學(xué)院，合肥 231201；2. 寧波綠動氫能科技研究院有限公司,浙江 寧波 315000)

0 引 言

隨著我國工業(yè)與科技的不斷發(fā)展，合金材料的應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。Cu-Al合金因具有較高的硬度、良好的耐磨性、易加工性等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械加工和建筑工程等領(lǐng)域[5-8]。為了獲得缺陷更小、性能更優(yōu)的Cu-Al合金，人們通常會對鑄造完成后的合金材料進行熱鍛、固溶處理和時效處理，目的是消除鍛件的殘余應(yīng)力和加工硬化，使組織變得更加均勻[9-11]。通常對于合金鑄件先進行固溶強化處理得到過飽和固溶體，這種過飽和固溶體組織通常都不穩(wěn)定，然后對其進行時效處理，在一定的處理溫度和時間下分解為第二相粒子，以此提高合金的韌性和強度[12-14]。固溶時效處理的溫度與處理時間對合金的性能有著決定性作用，對于時效處理而言，如果時效溫度過低或者時間較短，第二相的分解不充分，合金的力學(xué)性能一般較差，即為“欠時效”；若時效溫度過高或時間較長，則會導(dǎo)致第二相粒子含量較高，即為“過時效”[15-19]。因此，研究者根據(jù)合金材料的需求來選擇合適的固溶時效處理條件，近年來有關(guān)合金固溶時效處理的研究也越來越多。張靜等分析了不同固溶時效工藝對7055鋁合金擠壓棒材微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律和機理，結(jié)果表明，采用470和480 ℃/20 min的兩級固溶處理可以進一步減少合金中未溶化合物的數(shù)量，有利于增加時效強化效果，當(dāng)?shù)诙壒倘軠囟壬邥r，未溶化合物數(shù)量明顯減小，兩級固溶處理能有效改善合金的力學(xué)性能[20]。劉全升等研究了固溶時間和時效溫度對加壓成形工藝制備的6063鋁合金的性能影響，結(jié)果表明，隨著固溶時間的延長，合金晶粒尺寸增大，Mg2Si初生相逐漸消失；隨著時效溫度的升高，第二相Mg2Si數(shù)量增加；隨著固溶時間、時效時間的延長，合金的強度和硬度先升高后降低，斷裂伸長率先減小后增大，彌散分布是改善合金力學(xué)性能的主要原因[21]。基于以上研究，本文選擇鑄造的Cu-Al -Ni- Fe-Mn為研究對象，通過改變時效處理溫度，研究了不同時效處理溫度對銅鋁合金性能的影響，力求得到最佳的固溶時效處理條件，為Cu-Al合金性能的提升奠定研究基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 實驗原料與設(shè)備

電解銅(99.9%)、工業(yè)純鋁(99.9%)、電解鎳(99.99%)、工業(yè)純鐵(99.9%)、高純錳片(99.8%)，以上金屬均購買于河南君遼冶金材料有限公司；無水硼砂：工業(yè)級，遼寧硼達科技有限公司；精煉劑：國產(chǎn)ZS-CJ01，錦州世達熔劑新材料有限公司；Zn、Al除氣劑：錦州世達熔劑新材料有限公司。

箱式電阻爐：SX2-10-12，上海善志儀器設(shè)備有限公司；冷場發(fā)射掃描電鏡：SU1510，日本日立公司；光學(xué)顯微鏡：ZEISS，濟南歐萊博科學(xué)儀器有限公司；數(shù)顯電子洛氏硬度計：HRS-150，常州三豐儀器科技有限公司；電子萬能試驗機：SANS型，蘇州天氏庫力精密儀器有限公司。

1.2 樣品制備

首先，將原材料進行清理干凈后，按照表1配比進行稱量，在150 ℃干燥箱中干燥處理1 h；然后，將Fe、Mn、Ni放入坩堝熔煉，溫度為650 ℃，充分熔化以后加入Al和Cu原料，放入硼砂覆蓋后進行攪拌保證熔解均勻，當(dāng)溫度達到740 ℃時加入除氣劑精煉，保溫處理10 min；最后，將合金熔體澆筑到預(yù)熱到100 ℃的模具中，待冷卻后清理殘留物。本文在固溶處理過程中固定固溶溫度為900 ℃，固溶時間為1 h，固溶完成后對試樣進行油冷處理，在時效處理時，時效處理溫度分別為450，500，550和600 ℃，所有試樣均在箱式電阻爐中時效處理2 h，隨后自然冷卻到室溫。

表1 Cu-Al合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Cu-Al alloy

1.3 樣品的性能及表征

硬度分析：將不同時效溫度處理的Cu-Al合金試樣制備成10 mm×10 mm×10 mm的尺寸，通過表面拋光處理后，每個試樣選取5個點進行測量，取平均值為測試結(jié)果。力學(xué)性能分析：根據(jù)GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，對不同時效溫度處理的Cu-Al合金進行拉伸性能測試，拉伸速度為0.5 mm/min，拉伸完成后根據(jù)斷后標(biāo)距計算伸長率。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu-Al合金的硬度分析

圖1為Cu-Al合金的硬度測試結(jié)果。從圖1可以看出，Cu-Al合金的硬度隨著時效處理溫度的增加先升高后降低，當(dāng)時效處理溫度為550 ℃時，Cu-Al合金的硬度達到了最大值45.2 HRC，相比時效處理450 ℃的硬度提高了24.52%，說明在溫度<550 ℃處理時，合金第二相的分解析出不夠充分，屬于欠時效，當(dāng)時效處理溫度升高至600 ℃時，合金的洛氏硬度出現(xiàn)了輕微降低，溫度已達到過時效。

圖1 Cu-Al合金的硬度測試Fig 1 Hardness test of Cu-Al alloy

2.2 Cu-Al合金的微觀形貌分析

圖2為Cu-Al合金的顯微組織圖。從圖2可以看出，Cu-Al合金在經(jīng)過不同溫度的時效處理后，亞穩(wěn)定相會沿著晶界和晶粒開始分解。從圖2(a)可以看出，當(dāng)時效處理的溫度較低(450 ℃)時，組織的均勻性較差。從圖2(b)可以看出，當(dāng)溫度逐漸升高(500 ℃)時，晶界內(nèi)的共析體α的數(shù)量增多。從圖2(c)可以看出，當(dāng)溫度升高至550 ℃時，細小的強化相κ的數(shù)量較多，共析體α的分布比較均勻，晶粒逐漸長大。從圖2(d)可以看出，當(dāng)時效溫度升高到600 ℃時，晶粒較為粗大，共析體α出現(xiàn)了聚集，說明時效溫度過高，屬于過時效。

圖2 Cu-Al合金的顯微組織Fig 2 Microstructure of Cu-Al alloy

2.3 Cu-Al合金的力學(xué)性能分析

圖 3為Cu-Al合金的抗拉強度和斷裂延伸率。從圖3可以看出，隨著時效處理溫度的逐漸升高，Cu-Al合金的抗拉強度和斷裂延伸率均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)時效處理溫度為450 ℃時，合金的抗拉強度最低為715.9 MPa，斷裂延伸率最低為1.52%；當(dāng)時效處理溫度升高到550 ℃時，合金的抗拉強度達到了最大值895.8 MPa，斷裂延伸率最高達2.38%，相比450 ℃處理的合金，抗拉強度提高了25.13%，斷裂延伸率提高了0.86%；當(dāng)時效處理溫度升高至600 ℃時，斷裂延伸率和抗拉強度出現(xiàn)了不同程度的降低。這是因為力學(xué)性能的變化主要和合金內(nèi)部的顯微組織有關(guān)，第二相粒子的沉淀強化與合金的強度有直接關(guān)系，第二相粒子作為位錯及界面遷移阻礙物，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ釉龆鄷r，會阻礙位錯的滑移，導(dǎo)致位錯滑移所需能量升高，合金得到強化[22]。當(dāng)時效處理溫度較低時，硬質(zhì)相κ和第二相粒子較少，因此抗拉強度和韌性較差，當(dāng)時效處理溫度升高，合金中的β'相分解為硬質(zhì)相κ和第二相的速率加快，從而導(dǎo)致沉淀強化增強，合金的力學(xué)性能得到改善，當(dāng)溫度過高時，晶粒長大嚴(yán)重，出現(xiàn)了過時效，共析體α出現(xiàn)了聚集，強化效果減弱。

圖3 Cu-Al合金的抗拉強度和斷裂延伸率Fig 3 Tensile strength and fracture elongation of Cu-Al alloy

2.4 Cu-Al合金的斷口形貌分析

圖4為Cu-Al合金斷口形貌的SEM圖。從圖4可以看出，所有合金的斷口形貌比較平坦，有很多小的解理面和韌窩，均存在放射棱，屬于脆性斷裂。從圖4(a)可以看出，當(dāng)時效處理溫度為450 ℃時，第二相的含量較少且分布不均勻，塑性較差。從圖4(b)可以看出，當(dāng)時效處理溫度升高到500 ℃時，第二相的含量增多且均勻性提高，斷口處的韌窩較深，表明韌性得到了改善。從圖4(c)可以看出，當(dāng)時效處理溫度為550 ℃時，第二相分布最多且均勻，韌窩最深，說明時效處理效果最好。從圖4(d)可以看出，當(dāng)時效溫度繼續(xù)升高到600 ℃時，撕裂棱較細，韌窩較淺，晶粒尺寸粗大，表明過時效處理導(dǎo)致合金的性能變差?？梢姡?dāng)時效處理溫度為550 ℃時，合金的性能最佳。

圖4 Cu-Al合金斷口形貌SEM圖Fig 4 SEM images of fracture morphology of Cu-Al alloy

3 結(jié) 論

選擇Cu-Al -Ni- Fe -Mn為研究對象，固定固溶處理溫度為900 ℃，固溶時間為1 h，改變時效處理溫度(450，500，550和600 ℃)，設(shè)定時效處理時間為2 h，研究了不同時效處理溫度對Cu-Al合金力學(xué)性能和微觀形貌的影響，結(jié)論如下：

(1)Cu-Al合金的硬度隨著時效處理溫度的增加先升高后降低，當(dāng)時效處理溫度為550 ℃時，Cu-Al合金的硬度達到了最大值45.2 HRC，第二相析出最為充分，沉淀強化效果最佳。

(2)隨著時效處理溫度的升高，Cu-Al合金的抗拉強度和斷裂延伸率先升高后降低，當(dāng)時效處理溫度為550 ℃時，合金的抗拉強度和斷裂延伸率達到最大值895.8 MPa和2.38%，時效處理效果最佳，但當(dāng)時效處理溫度>550 ℃時，合金發(fā)生過時效。

(3)分析Cu-Al合金的顯微組織和斷口形貌可知，當(dāng)時效處理溫度較低時(450 ℃)，第二相和硬質(zhì)相的含量較少，屬于欠時效階段，其塑性較差；隨著時效處理溫度的升高(550 ℃)，合金中的β'相分解速率加快，硬質(zhì)相和第二相粒子增多，沉淀強化效果增強，斷口形貌的韌窩加深，合金的力學(xué)性能得到顯著提升；但當(dāng)時效處理溫度過高(600 ℃)時，過時效處理導(dǎo)致合金的性能變差。因此，Cu-Al合金的最佳時效處理溫度為550 ℃。