激光热处理对铸造铝青铜合金微观组织与硬度的影响

2013-09-04唐剑隐黄根哲师东生

机械工程与自动化 2013年5期

唐剑隐，黄根哲，师东生

（长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022）

0 引言

从20世纪50年代以后，在生产力水平和技术革新的带动之下，科学家对铝青铜合金的研究领域不断深入，发展和研究出一系列具有高强度、高硬度、耐磨性能好、耐腐蚀性强、良好的形状记忆效应等优点的适用于不同行业的高性能铝青铜合金。铝青铜的综合机械性能优越，特别在价格上比一般昂贵的合金便宜得多，在符合工作要求的条件下可作为某些昂贵的金属材料和有毒材料的替代品，已成为机械工业不可或缺的有色金属合金之一，被广泛应用于机械制造业、海洋、冶金、建筑和航空航天等领域。

激光热处理技术是应用非常广泛也相对成熟的激光加工技术之一，但国内外利用激光热处理技术对铸造铝青铜合金进行热处理的研究并不多，鉴于此，本文对铝青铜合金试件进行激光热处理，研究和比较激光热处理对合金显微组织和性能的影响。

1 实验材料与方法

金相试样规格为10mm×10mm×10mm，用XD－2型金相显微镜观察试样组织；用DK77电火花数控切割机床分别切取成试样小块；用金相砂纸和抛光机对试样进行磨制、抛光，并用氯化高铁盐酸水溶液（FeCl3＋HCl＋H2O）对试样进行浸蚀，处理方法为擦拭法；采用5轴数控激光加工机床配备5kW罗芬二氧化碳激光器对试件进行激光热处理，相关激光工艺参数为：功率P＝1 500W、速度v＝500mm／min、矩形光斑模式并调节正离焦光斑尺寸为2mm×2mm；采用FEI公司的XL30场发射环境扫描电子显微镜观察表面形貌，同时利用EDAX能谱议对合金中的特征点进行微区成分分析；利用Image－Pro Plus 7．0图像处理软件分析试件的物相组成；采用FM－700显微硬度仪测定试样的维氏硬度，加载质量50g，保持15s。

2 实验结果与分析

2．1 合金的化学成分

本实验采用的铸造铝青铜合金牌号为ZCuAl10Fe3Mn2，其化学成分见表1。

表1 铸造铝青铜合金试件的化学成分（质量分数） %

2．2 合金的微观组织分析

由Cu－Al二元相图可知，铝质量分数在8．0%～10．0%的铝青铜合金的熔点大概在1 038℃，在合金凝固时，1 036℃发生共晶反应L→α＋β，565℃发生共析反应β→α＋γ2。由于此实验利用的是激光淬火技术，激光淬火的主要特点是冷却速度快，因此在实际热处理中一部分β相来不及发生共析反应，而是发生晶格转变反应生成β′相。其中，α相是铝溶于铜中的固溶体，为面心立方晶格，具有良好的塑性；β相是以电子化合物AlCu3为基的固溶体，仅在高温下存在，为体心立方晶格，具有较高的强度和塑性；β′相是β相的同素异构体，为斜方晶格；γ2相是以电子化合物Al4Cu9为基的固溶体，为体心立方晶格，是合金中的硬脆相；K相是Fe3Al、FeAl等富铁相。

图1为激光热处理前、后试件的微观组织图。其中，灰白色块状相为α相，灰色相为β′相，黑色点状与块状相为（α＋γ2）共析体和 K相，且β′相和（α＋γ2）共析体中析出的黑色点状相也为K相。通过图1（a）和图1（b）比较后发现，激光热处理后生成了白色针状相，仔细观察发现白色针状相沿β′相均匀分布。图2为对新生成相分别进行扫描电子显微镜背散射电子成像分析和能谱分析的结果。图2（a）表明此区域相的分子质量和β′相相近，都显黑色。

图1 激光热处理前、后试件的微观组织图

图2 新生相扫描电子显微镜背散射电子成像分析和能谱分析结果

结合实验结果并查阅相关文献发现，白色针状相为从β′相晶界上析出的含Fe量为4%的γ2相沿着β′相一定晶界呈针状析出。综合分析发现由于激光热处理具有快速冷却的特点，因此在冷却过程中β相发生共析反应不完全，从而造成γ2相沿着β′相一定晶界呈针状析出。

图3为试件激光热处理后组织中的杂质分析。图3（a）中明显地看到组织中有一区域分布着较粗大的块状相，且分布区域较为集中，结合图3（b）可知，其组织主要含有Al和O，少量的C和Cu及微量的N、Si和S，属于在铸造铝青铜合金过程中的氧化夹杂。

图3 试件激光热处理后组织中的杂质分析

2．3 分析试件组织含量

图4为利用Image－Pro Plus 7．0图像处理软件分析试件基体的组成相在合金中含量的处理结果。其中，α相呈灰白色、β′相呈灰色、γ2相呈白色、（α＋γ2）相和K相呈黑色。

图4 试件基体的组成相在合金中含量的处理结果

利用Image－Pro Plus 7．0软件计算得出的合金中各物相所占的比例见表2。

表2 合金IPP分析结果

2．4 激光热处理前、后组织的比较

图5为激光处理后组织和原始组织的比较。图5中虚线为原始组织与淬硬层的分界线，虚线的左边为原始组织，右边为激光热处理后的淬硬层组织。通过扫描电子显微镜、能谱仪和IPP软件分析可知，激光热处理后组织比原始组织α相、β′相、强化相K相以及共析反应生成的（α＋γ2）共析体呈更均匀地分布，且比较后发现原始组织中的粗大K相、类马氏体相等在激光热处理后消失，这也是激光热处理的优点。激光热处理后生成的白色针状γ2相沿β′相均匀分布。比较激光热处理区域和未处理区域后发现，激光热处理对合金晶粒细化作用非常明显。

图5 激光热处理之后组织与原始组织的比较

2．5 合金的硬度分析

激光热处理前在试件不同位置测量3点硬度，然后对试样的3个点硬度取平均值代表试样激光热处理前的硬度值；同理激光热处理后也进行相应处理，得到试样热处理后的硬度值。合金试样的显微硬度值比较见表3。

表3 合金试样的显微硬度值比较

由表3可知，试样激光热处理前、后硬度变化明显，激光热处理后合金硬度比热处理前硬度提高了76 HV。分析试样组织结构和物相发现：激光热处理后试样的主量相为α相，占总量的60．5%；次量相β′相占总量的24．4%，γ2相占总量的10．3%；微量相为（α＋γ2）相和K相，占总量的3．1%。比较激光热处理前、后发现，激光热处理后α相减少，生成的β′相增加，并从β′相晶界中析出含Fe为4%的γ2相，它沿着β′相一定晶界呈白色针状析出。这种γ2相是激光热处理后生成的新相，大大地增加了试样的硬度。

除硬度指标外，其他力学性能指标也是衡量材料综合性能好坏的重要标准。在对试件的组织结构和物相分析中，比较了试样在激光热处理前、后合金组织晶粒的大小，分析后发现激光热处理对试样细化晶粒作用非常明显，而晶粒细化可作为衡量材料耐磨性是否提高的一个标准。在试样热处理前、后比较中还发现合金的杂质相在激光热处理后大量地消失并溶解在基体中。所以可以得出结论：激光处理后，铝青铜合金的耐磨性能增加。