淬火温度对QAl10-5-5铜铝合金组织性能的影响

2019-12-13朱佳博南黄河

沈阳理工大学学报 2019年5期

朱佳博，南黄河，何冰

(陕西铁路工程职业技术学院机电工程系，陕西渭南 714000)

铜-铝合金是一种新型的铜合金，不仅具有铜合金的优良性能，同时比青铜类合金具有更高的强度、硬度等力学性能[1-3]。因此广泛的被应用于各个工业领域，如重工制造、机械制造、电器制造及航空航天等[4-6]。但随着时代的发展和科学技术的进步，常用的普通铜-铝合金的强度、硬度等性能已然不能满足现代工业的性能要求，因此发展高强度、塑韧性的铝青铜合金非常有必要[7]。近几年来，国内外学者对铜-铝合金的研究方向主要集中在元素优化、塑性成型及电化学腐蚀等方面。Song Q N等[8]通过对含镍铜-铝合金微量元素的添加，热处理强化等方式研究固溶强化和力学性能的关系，并分析摩擦搅拌过程中合金的腐蚀行为。Guo X等[9]研究了铝-铜合金不对称轧制过程中剪切带和织构的变化方式，但均未研究不同温度下QAl10-5-5铜-铝合金的相变强化作用。

在二元铝青铜中加入一些微量元素，如Mn、Ni等形成多元复杂铝青铜，可大幅度提高其性能，且可通过热处理强化[10-13]。因此研究多元复杂的铝青铜合金很有必要。本研究将通过淬火时效热处理的方式对铜铝青铜合金进行优化，找出适宜的热处理参数，使该合金性能满足现代工业性能的要求。

1 实验材料与方法

试验所用材料为热加工后的铜-铝合金，合金的元素含量如表1所示。试验过程中采用单一变量法。保温1h，分别在850～950℃不同温度下水冷，进行淬火处理，以常温拉伸力学性能作为评估指标，分别对淬火温度进行比较选出最佳热处理工艺。

表1 合金的化学成分及元素含量 wt.%

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1为铜-铝合金淬火处理的显微组织。由图1a中可以看出，原始热加工合金组织分布较为均匀，晶粒在热加工过程中发生了动态再结晶，晶粒为等轴再结晶晶粒。晶粒组织多为Al溶于Cu中的面心立方淬火体α相，α相质软，呈白色状，基本为等轴晶粒。沿α相晶界处存在黑色共析体，为点状富Fe相k相分布在α相内部和晶界共析体处，在基体中仍分布部分点状的α相。经850℃淬火后，如图1b合金基体组织发生了相变作用，在温度升高至850℃时，k相逐渐淬火于基体，α相逐渐转变为CuAl为基的淬火体β相，一般当温度冷却至565℃左右时组织发生共析反应，即β相转变为α+k相。但经过淬火处理迅速冷却，β相来不及全部转变从而保留了β相，形成α+β+k组织，随着迅速冷却β相转变为无扩散型的黑色β马氏体强化相。随着温度升高至900℃，如图1c，α+k迅速转变为β相，合金中的为α+k相逐渐减少，β相逐渐增多；淬火至950℃时，k相已基本完全淬火，合金中存在较多的黑色β相组织，存在针状β马氏体，如图1d。

图1 淬火处理的显微组织

2.2 力学性能

图2a为在常温下分别测定铜铝合金的抗拉强度和屈服强度，图2b为常温下测定铜铝合金的延伸率。由图2可知，随着淬火温度从850℃升高至950℃，合金的抗拉强度、屈服强度均呈现先升后降的趋势，而延伸率一直下降。在900℃以下淬火时，合金的抗拉强度、屈服强度随着温度的升高而逐渐增大；淬火温度在900℃时，合金的抗拉强度、屈服强度达最大值，抗拉强度为743MPa，屈服强度为421MPa；950℃淬火时，合金的强度迅速下降，这是因为针状马氏体为硬脆相，易生裂纹发生断裂。因此可确定为适宜的淬火温度为900℃，此时合金的抗拉强度为743MPa，屈服强度为421MPa，延伸率为11.5%。

如图3为不同淬火温度下的拉伸断口。

图3a在850℃淬火时，断口的韧窝极浅且较少。图3b升温至900℃时，拉伸断口上分布着明显的解理面，合金的塑性降低，同时存在大小不同的浅韧窝，可以发现，合金的拉伸断口呈现出韧性断裂和脆性断裂的混合断裂形貌特征。图3c当淬火温度升高至950℃时，拉伸断口基本为大小不同的解理面，韧窝消失，合金呈现出典型的脆性断裂，塑性很差。