株洲九方熱表技術(shù)有限公司 (412001) 易忠宏 王鐵鋒 鄭業(yè)方 姜 影 張旭東
C5M4是從日本引進(jìn)的一種鋁鎂系鑄造鋁合金,主要化學(xué)成分如表1所示,T6熱處理后力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。
表1 C5M4化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表2 C5M4鑄鋁合金T6處理后力學(xué)性能指標(biāo)
由于目前國內(nèi)對(duì)于C5M4 T6處理的相關(guān)研究報(bào)道極少,故通過試驗(yàn)對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行探究,為今后C5M4性能研究和工藝改進(jìn)提供依據(jù)。
以相同冶煉爐號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金砂鑄試棒作為試驗(yàn)對(duì)象。通過選擇不同的T6處理工藝參數(shù),檢測試棒的力學(xué)性能,選擇試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為該次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。固溶處理在SX-5-12型小箱式電阻爐進(jìn)行,時(shí)效處理在SX2-4-10型小箱式爐進(jìn)行,試樣拉伸在CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。
對(duì)固溶處理加熱溫度和保溫時(shí)間、時(shí)效處理加熱溫度和保溫時(shí)間4個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
試驗(yàn)選取了從400~590℃區(qū)間10個(gè)不同溫度進(jìn)行固溶處理,采用相同固溶保溫時(shí)間及相同人工時(shí)效工藝,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
由圖1可以看出,在520℃以下,強(qiáng)度和伸長率總體均隨溫度升高而提高。分析認(rèn)為鑄態(tài)組織中含有β相,在溫度低于520℃下固溶處理,不能將β相充分溶解到基體中,部分殘留β相沿著晶界分布,導(dǎo)致在時(shí)效過程中新析出的β相也沿著晶界分布,而β相硬而脆,割離基體,宏觀材料性能表現(xiàn)出抗拉強(qiáng)度和伸長率均較低。由金相圖2可看出,此時(shí)強(qiáng)化相β相(Mg5Al8)沿晶界分布,與分析一致。隨著固溶加熱溫度的升高,β相溶解到基體中也越多,時(shí)效后沿晶界分布越少,割離基體能力減弱,所以宏觀上表現(xiàn)出材料抗拉強(qiáng)度和伸長率隨著溫度升高均提高。
圖1 不同固溶溫度條件下材料性能變化趨勢
圖2 經(jīng) 440℃固溶金相圖
在520℃以上溫度加熱固溶時(shí),隨著溫度的升高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)度均表現(xiàn)為提高的趨勢,但提高幅度較小。這是因?yàn)殡S著固溶加熱溫度升高,原β相更多的溶解到基體中,時(shí)效析出的新β相也越多,所以強(qiáng)度表現(xiàn)上升的趨勢;又因在520℃固溶處理時(shí)大部分原β相已經(jīng)溶解,時(shí)效析出的新β相增加很少,故強(qiáng)度提高幅度不大。
伸長率隨著溫度升高呈下降趨勢。因在520℃或更高固溶處理時(shí),原β相大部分已經(jīng)溶解,原β相對(duì)伸長率作用減弱,而時(shí)效析出的新β相增多,對(duì)伸長率影響加強(qiáng),所以伸長率在520℃以上溫度表現(xiàn)為下降趨勢。金相圖3顯示520℃時(shí)β相已經(jīng)不再沿晶界分布,而是均勻分布,與分析相一致。
圖3 520℃固溶金相
當(dāng)固溶加熱溫度為570℃時(shí),金相圖4顯示出現(xiàn)小三角晶界,晶粒開始粗化,晶界開始變得粗大,析出相β相開始團(tuán)聚,說明此時(shí)已有過燒的傾向,只是不明顯,所以對(duì)性能影響不是很大;當(dāng)在590℃固溶時(shí),試棒表面已明顯出現(xiàn)褶皺,說明溫度已過高,導(dǎo)致試棒熔化,此時(shí)力學(xué)性能也很差,金相圖5顯示已出現(xiàn)三角晶界、晶界復(fù)熔加粗和共晶復(fù)熔現(xiàn)象,說明材料已經(jīng)過燒。
圖4 經(jīng)570℃固溶處理后的金相圖
圖5 590℃固溶處理后的金相圖
綜合上述分析得知,C5M4較適合的固溶處理加熱溫度范圍為520~550℃。
試驗(yàn)選取3組試棒,分別在530℃下保溫1h、2.5h、4h后水冷淬火,再經(jīng)相同條件人工時(shí)效處理,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖6 材料性能隨固溶時(shí)間延長變化折線
可看出隨著固溶保溫時(shí)間的增長,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度緩慢提高;而伸長率與強(qiáng)度變化相反,呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。分析認(rèn)為隨著固溶保溫時(shí)間的延長,更多的溶質(zhì)原子溶解在基體中,時(shí)效后析出更多的強(qiáng)化相,從而使材料強(qiáng)度提高,塑性下降;而變化緩慢是由于溶質(zhì)原子的溶解速度很快,530℃處理1h后溶質(zhì)原子大部分已經(jīng)溶解在基體中,隨著時(shí)間的延長,只有少部分的溶質(zhì)原子繼續(xù)溶解在基體中,所以強(qiáng)度提高緩慢,伸長率降低緩慢。
綜上所述,C5M4在530℃下固溶時(shí),保溫時(shí)間由1h變成4h,試棒的強(qiáng)度隨時(shí)間延長而提高,但提高幅度不大。
試驗(yàn)選取5組試棒,均在530℃保溫4h固溶處理后,分別在120℃、150℃、170℃、200℃、220℃進(jìn)行時(shí)效處理,檢測試棒力學(xué)性能,如圖7所示。
圖7 材料性能隨時(shí)效溫度升高變化
由圖看出,隨著時(shí)效溫度的提高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高,在170℃以下時(shí)效,材料時(shí)效強(qiáng)化效果不好;200℃時(shí)效時(shí),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有極大值;在220℃時(shí)效,材料強(qiáng)度下降。根據(jù)時(shí)效強(qiáng)化過程,200℃時(shí)為峰值時(shí)效階段,此時(shí)時(shí)效效果較好;220℃時(shí)過度相開始脫離基體,強(qiáng)度開始下降,這時(shí)已有過時(shí)效的趨勢。
在220℃時(shí)效處理后,試棒的伸長率較200℃時(shí)效處理的急劇提高,這顯示時(shí)效析出的β相開始脫離基體,表明時(shí)效溫度偏高。
綜上所述,試棒在170~200℃時(shí)效處理后得到的綜合力學(xué)性能較好,所以C5M4的理想人工時(shí)效加熱溫度區(qū)間為170~200℃。
試驗(yàn)選取4組試棒,在530℃保溫4h固溶處理后,分別在200℃保溫1h、2h、3h、4h,檢測每組試棒的力學(xué)性能,結(jié)果如圖8所示。
圖8 材料性能隨時(shí)效時(shí)間延長變化
由圖8可以看出,隨著時(shí)效時(shí)間的加長,抗拉強(qiáng)度逐漸提高,但幅度很小。隨著時(shí)效時(shí)間的延長,析出的強(qiáng)化相逐漸變多,強(qiáng)化效果越明顯,但時(shí)效1h大部分強(qiáng)化相已經(jīng)析出,繼續(xù)時(shí)效,少量的強(qiáng)化相繼續(xù)析出,所以強(qiáng)化效果增加緩慢。
綜上所述,C5M4在200℃人工時(shí)效溫度下,保溫時(shí)間由1h延長到4h,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均緩慢上升。
(20121204)