高強耐磨鋁青銅熱處理工藝的研究

2009-09-23 李文生甘肅工業(yè)大學材料科學與工程學院

　　通過正交試驗和對比試驗優(yōu)化了Cu14AlX鋁青銅合金的硬化熱處理工藝,找出了熱處理過程中影響該合金硬化性能的4種因素的主次順序是:固溶溫度、時效時間、時效溫度和固溶時間. 進一步研究證明通過840～880℃油淬固溶和570～600℃空冷時效處理,合金能夠得到48.2HRC的最高硬度. 硬化的原因是時效過程中共析相γ2的均勻細化和κ相的彌散析出。

　　近年來我國板式換熱器行業(yè)從國外進口了Cu14AlX鋁青銅合金材料制作的擠壓模具,取代35CrMo等合金鋼模具. 由于這種鋁青銅合金材料具有硬度高、減磨性能好、耐磨性高、剛性穩(wěn)定、導熱系數(shù)高的優(yōu)良性能,在拉伸、壓延1Cr18Ni9Ti 等不銹鋼換熱器板片時不易發(fā)生粘模、劃傷工件等現(xiàn)象,工件的翹曲明顯減少,不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量而且可以減少修模次數(shù)及模具損耗,壽命相對合金鋼模具提高5～10倍. 與普通鋁青銅相比,Cu14AlX 鋁含量高,熔煉工藝復雜. 國外采用真空熔煉的技術(shù)進行生產(chǎn),而且整套生產(chǎn)工藝及各項技術(shù)指標是全部保密的. 實現(xiàn)該種銅合金模具材料的國產(chǎn)化非常有意義,本文針對國內(nèi)設(shè)備、工藝水平的實際情況,采用非真空冶金鑄造成型的傳統(tǒng)工藝試制了該種合金材料,并運用正交試驗設(shè)計方法對影響銅合金模具材料硬度性能的固溶溫度、固溶時間、時效溫度和時效時間等4 種因素進行了比較試驗,以期找出影響銅合金模具材料硬度性能的4 種熱處理工藝參數(shù)因素的主次順序及優(yōu)化固溶、時效處理的最佳溫度和保溫時間.

1、試驗方法

　　鋁青銅合金材料的硬度性能與許多因素有關(guān),像澆注溫度、冷卻速度、凈化程度、熱處理工藝等,其中熱處理工藝參數(shù)的正確選擇與匹配是提高合金材料硬度的主要途徑之一. 鋁青銅的強化主要是通過固溶、沉淀、彌散等方法進行的,熱處理的固溶、時效的溫度和時間等因素是影響合金的相變及相分布的主要因素. 如果通過試驗來一一確定所有工藝參數(shù)的最佳匹配值,既浪費了大量的人力物力,同時也無法找出綜合可信的試驗結(jié)論. 因此采用正交試驗,有計劃、合理地在正交表上安排較少的試驗次數(shù),較短的試驗周期,迅速找出影響結(jié)果指標的主要因素,進而找到較優(yōu)工藝條件 .

1.1、因素數(shù)的確定

　　在先前實驗的基礎(chǔ)上,實驗考慮的因素有4個:固溶溫度(因素A)、固溶時間(因素B)、時效溫度(因素C)和時效時間(因素D).

1.2、水平數(shù)的確定

　　根據(jù)真空技術(shù)網(wǎng)的另外篇文章,鋁青銅熱處理過程中20℃以內(nèi)的溫度變化對最終性能的影響并不顯著. 經(jīng)計算,所研制合金的鋁當量為14.6%～15.3%,根據(jù)Cu2Al二元相圖,可初步確定該準二元合金的固溶和時效溫度范圍,取值間隔大于30℃,如表1所示.

表1 　因素水平

2、試驗設(shè)備與材料制備

　　由成分設(shè)計配料,采用共裝法,根據(jù)快速熔煉、及時澆注的原則,利用高頻感應爐常壓、無保護氣氛一次熔煉法實現(xiàn)合金的熔煉. 具體工藝為:熔化—精煉—靜置—出爐—澆注. 出爐溫度為1200～1250℃,澆注溫度為1150～1200℃. 用砂型鑄成<30的試棒,線切割、加工成<20 ×20的試塊,經(jīng)一定的熱處理工藝后磨制試樣,用2 號萊氏試劑浸蝕,觀察顯微組織. X射線衍射及SEM觀察分別在RigakuD/max22400和HITACHI S2502上進行.