QAL10-4-4热处理制度的优化

程慧明

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000）

某国外引进装备的关键零件由国产化材料铝青铜QALl0—4—4制造，其设计图样要求为HB=170～220，由于其设计材料购买困难，不能使用原设计材料制造，使用GB/T1528-1997QALl0-4-4R材料制造，实际生产中按规定的工艺参数热处理后硬度为HB=228～269，不符合“HB=160～230”的技术要求。为此，我们对QALl0-4-4铝青铜棒材的生产工艺进行了一系列的生产试验研究，以达到设计技术要求。

1 试验材料和设备

材料牌号为QALl0—4—4，材料执行标准为：GB/T1528-1997，材料状态为R（挤制），材料规格为G95×22.5×70，试验材料的进厂检查验收均符合标准规定。布氏硬度检查设备为HB-3000B，淬火、回火用设备分别为YRX3-55-9、YRX3-45-7，金相显微镜为PMG3-613U。

2 试验工艺

生产试验过程中应符合生产实际，故需严格按标准规定的试验参数进行试生产验证，应遵循HB/Z216-92《铜及铜合金热处理工艺说明书》要求进行热处理，热处理制度为：固溶：（900～950）℃，保温60min～120min，时效；回火：（550～650）℃，保温60min～120min，空冷，HB=190～240。

为探讨固溶温度与固溶后硬度的关系，分别在900℃和950℃对试样进行固溶后(保温时间均为2h)，在分别在550℃、580℃、610℃、650℃时效2h，试验过程及结果见表1。

表1 试验结果

4 550 120 262 5 600 120 255 6 650 120 235 950 120

3 试验结果与分析

QALl0-4-4为铝青铜合金，其耐磨耐蚀性能使得其在装备中为数不多的铜合金材料中占有重要位置。QALl0-4-4材料的组织主要由α、β′、k相构成。在构成复杂铝青铜合金组织的各种物相中，α相的塑性好，而硬度低；β′马氏体相的硬度比α相高，但塑性较差；k相为一系列金属间化合物，包括Fe3Al、FeAl和NiAl等，硬度最高。上述物相的体积分数、形态和尺寸是影响合金力学性能的主要因素。

由表1可知，在热处理标准制度范围内进行不同的固溶时效工艺进行处理后，对试样进行了硬度检验，其结果均达不到设计图样要求。

（1）由表1可以看出，固溶温度越高，固溶后材料的硬度越高。随着固溶温度的提升，K相金属件化合物（AlFeNi）溶入基体就越多，使得基体合金元素含量就越多，冷却时K相从α相及β相中析出，产生沉淀硬化，具有较高的强度和硬度，从而提高了材料的强度、硬度。当固溶温度较低时，由于大量的α相及β相残留，使基体中合金元素含量减少，生成较多的α相，不利于最后的强化[1]，由于α相及β相残留及分布不均匀或过饱和固溶体分解不均匀，引起电化学不均匀，从而促使晶界发生晶间腐蚀损伤，对该零件的腐蚀性能有不利影响。

（2）由表1可知，固溶温度越高，固溶后材料的硬度越高，故降低固溶温度可降低铝青铜固溶时效后的硬度；随着时效温度的升高，材料的硬度在逐步的降低。

4 验证方案的确认、实施和分析

4.1 验证方案的确认、实施

（1）根据表1的结果和航标规定的热处理制造，固溶温度选定为900℃，固溶保温时间为120min，时效温度从660℃，以10℃增幅进行试验，时效保温时间为120min，直至布氏硬度达到HB=170～220。金相图片见图1。

图1 900℃固溶，700℃时效的金相组织

（2）根据表1的结果和航标规定的热处理制造，固溶温度从890℃开始，以10℃幅度进行递减试验，固溶保温时间为120min，时效温度为650℃，时效保温时间为120min，直至布氏硬度达到HB=170～220。

（3）采用原材料直接从650℃开始，以10℃的增幅进行试验，直至布氏硬度达到HB=170～220，试验结果见表2。

表2 验证试验结果

4.2 验证方案分析

（1）根据验证方案1的方法，将时效温度提升至700℃，其硬度符合设计图样要求。QAL10-4-4的硬度主要是基体硬度、合金元素的固溶强化和析出相K相的析出强化。当时效温度低于马氏体转变文图450℃时，合金的基体为马氏体组织，本身具有很高的硬度，且在时效过程中K相持续析出，弥散分布于基体组织上，对合金整体有弥散强化作用，导致合金的硬度进一步增加。当时效温度高与马氏体转变温度时，硬质马氏体转变为α相软集体，同时随着时效温度的增加，K相虽然也有析出，减弱K相的弥散强化作用，进一步降低合金的硬度[2]。

（2）根据验证方案1的方法，将固溶温度降低至850℃，其硬度符合设计图样要求。如合金的固溶温度过低，其第二相不能充分固溶入基体中，而且溶质分布不均匀，不仅会降低材料的硬化能力，还会在时效时容易防守不连续脱溶和晶界反应，从而恶化材料的性能。

5 结论

由于设计图样为国外引进技术文件，其使用的材料均为原设计材料，原材料国产化时，其材料成分与原设计材料在材料成分及质量分数方面均有一定差异，故使用国产材料及标准无法达到原图样设计要求。由于固溶温度的降低，导致其第二项不能充分溶入基体中，且会对K相析出有一定影响，综合以上分析，QAL10-4-4铝青铜需达到图样设计HB=170～220要求，应选择固溶温度为900℃，固溶保温120min，水冷，时效温度为700℃，时效保温时间120min，空冷。