張喜迅，李廣欽

(青海國鑫鋁業(yè)股份有限公司，青海西寧810007)

4032鋁合金屬于高硅合金，具有熱膨脹系數(shù)低、耐磨性能好、高溫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)活塞和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的制造等領(lǐng)域，特別是隨著我國鐵路、公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，其用量越來越大。由于其在工作中需承受高溫、高壓和往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦等，除了具有以上優(yōu)點(diǎn)外，還需具有抗腐蝕性、導(dǎo)熱系數(shù)小、疲勞性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)【1－2】。由于4032合金含硅量高，內(nèi)部組織中的初晶硅和不規(guī)則形狀的共晶硅都會(huì)對(duì)材料的綜合性能造成很大影響。而作為需要進(jìn)行二次加工的產(chǎn)品，不僅要求具有較高的強(qiáng)度，還要求具有較高的塑性。為了滿足需求，我公司通過采用先進(jìn)熔煉、變質(zhì)處理和鑄造工藝，嚴(yán)格控制共晶硅的形態(tài)和尺寸，杜絕了初晶硅的存在。為了進(jìn)一步提升4032合金擠壓棒材的綜合性能，采用優(yōu)化熱處理工藝是一條重要的途徑。本文通過對(duì)4032鋁合金棒材進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，研究了不同熱處理制度對(duì)合金組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的4032合金棒材，其規(guī)格為Φ110mm圓棒，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。4032合金熔煉、變質(zhì)、鑄造等工藝，是經(jīng)過大量試驗(yàn)獲得的成熟工藝，可生產(chǎn)Φ127～Φ605mm不同規(guī)格的圓鑄錠，共晶硅尺寸控制在0.05mm以下，沒有初晶硅存在。棒材在55MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)上完成擠壓。

表1 4032合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of 4032 alloy

試樣采用表2所示的工藝制度進(jìn)行淬火、自然時(shí)效及人工時(shí)效處理。在AG－X100KN材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，使用拉伸軟件控制拉伸過程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，拉伸速率為1.5mm/min。利用AX40MAT金相顯微鏡觀察內(nèi)部組織形貌，用以解釋不同熱處理工藝對(duì)合金性能影響的機(jī)理。

表2 熱處理工藝Tab.2 Schemes of heat treatment process

方案 熱處理工藝3 520±2℃ ×3h;自然時(shí)效3h;170±2℃ ×130min 4 520±2℃ ×3h;自然時(shí)效3h;170±2℃ ×200min

2 結(jié)果及討論

所測(cè)試樣的力學(xué)性能如表3所示，采用方案1的試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高，斷后伸長(zhǎng)率最小，低于標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求，綜合性能無法滿足需求。采用方案2的試樣，雖然斷后伸長(zhǎng)率有所提高，但仍不能滿足需求。采用方案3的試樣，斷后伸長(zhǎng)率大幅度上升，滿足了要求，而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大幅度下降，低于標(biāo)準(zhǔn)要求。采用方案4的試樣，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)和客戶所要求的值。

表3 試樣力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of test samples

為了提升合金中強(qiáng)化相的固溶度，提高合金力學(xué)性能，應(yīng)盡可能升高淬火加熱溫度。但是，合金中的共晶硅會(huì)在加熱過程中聚集、球化，以及不溶相的球化又會(huì)使合金力學(xué)性能惡化【1－4】。經(jīng)綜合考慮采用520±2℃ ×3h的固溶處理工藝。

對(duì)于4032合金，在固溶處理后應(yīng)立即進(jìn)行峰值人工時(shí)效，可以獲得高的強(qiáng)度，但是伸長(zhǎng)率較低。同樣的固溶和人工時(shí)效制度，人工時(shí)效前在室溫下自然時(shí)效2h以上，雖然強(qiáng)度有所降低，但是可獲得較高的伸長(zhǎng)率【3】。從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同的熱處理工藝下，自然時(shí)效3h，伸長(zhǎng)率由1.2%提高至2.3%，強(qiáng)度略有下降。由于合金中含有鎂、銅元素，可以形成S(Al2CuMg)、Mg2Si及CuAl2強(qiáng)化相，所以淬火后既可自然時(shí)效，也可人工時(shí)效。自然失效階段相當(dāng)于雙級(jí)時(shí)效中的低溫預(yù)時(shí)效階段，即成核階段;人工時(shí)效為穩(wěn)定化階段，這樣經(jīng)過雙級(jí)時(shí)效可使晶界上強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)球化，打破了晶界析出相的連續(xù)性，使組織得到改善，提高了韌性，但同時(shí)由于晶粒內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生粗化，導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低。

圖1為拉伸試樣斷口宏觀圖，從左至右分別為方案1至4試樣斷口。從斷口形貌上看，方案1試樣斷口大部分區(qū)域都垂直于拉伸方向，呈現(xiàn)出典型的階梯狀解理斷口形貌，方案2試樣呈現(xiàn)出部分河流狀的準(zhǔn)解理斷口形貌和部分解理狀斷口形貌。這很好地解釋了合金具有很低的延展性，而方案2試樣的延展性又高于方案1試樣。方案3和方案4試樣都呈現(xiàn)出部分河流狀的準(zhǔn)解理斷口形貌和部分韌窩狀的斷口形貌，相對(duì)于方案4試樣，方案3試樣斷口呈現(xiàn)出明顯的剪切區(qū)。這很好地解釋了方案3和方案4試樣的延展性優(yōu)于方案1和方案2試樣的，同時(shí)方案3試樣的延展性又優(yōu)于方案4試樣的【5】。

圖1 拉伸試驗(yàn)斷口宏觀圖Fig.1 Macro fracture morphology of test samples

圖2為方案1至4試樣金相組織圖。從圖2中可以看出，方案1、2試樣中的共晶硅、金屬間析出相明顯較方案3、4試樣中的大，且較為集中，其中方案1試樣中的分布最為集中且比方案2試樣中的細(xì)小，方案3試樣中的分布最為均勻且細(xì)小，集中部分都在晶界周圍。這說明第一階段的自然時(shí)效對(duì)金屬間析出相的均勻分布起到了較為明顯的優(yōu)化作用，但在同時(shí)也使得共晶硅和金屬間析出相發(fā)生了粗化，這也是方案1試樣強(qiáng)度高于方案2試樣的而伸長(zhǎng)率低于方案2試樣的原因。隨著人工時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，共晶硅和金屬間析出相逐步粗化且分布逐漸向晶界周圍集中，球化程度逐漸減弱，條狀、不規(guī)則形狀共晶硅和金屬間析出相逐漸增多。球形析出相可以降低沿晶界斷裂時(shí)的應(yīng)力集中，避免了晶界過早產(chǎn)生裂紋形核，提高合金的斷裂韌性【6】，是方案3、4試樣伸長(zhǎng)率較高的主要原因;尺寸較大的富含Ni、Fe的脆性相，成為試樣容易斷裂的裂紋源【7】，共晶硅和金屬間析出相在晶界周圍的集中，有效地阻礙了斷裂時(shí)裂紋的擴(kuò)展，提高了試樣的強(qiáng)度。

圖2 試樣的金相組織(1000X)(1～4分別為方案1～4試樣)Fig.2 Microstructure of test samples(1000X)

3 結(jié)論

(1)同樣的固溶和人工時(shí)效制度，人工時(shí)效前自然時(shí)效3h，雖然強(qiáng)度有所降低，但可以較大幅度地提高伸長(zhǎng)率;

(2)綜合成本、產(chǎn)品性能等各方面因素考慮，最優(yōu)化的熱處理工藝為:淬火工藝，520±2℃ ×3h;時(shí)效工藝，自然時(shí)效3h，人工時(shí)效170±2℃ ×200min;

(3)通過優(yōu)化熱處理工藝處理后，可獲得抗拉強(qiáng)度378MPa、屈服強(qiáng)度329MPa、斷后伸長(zhǎng)率5.3%的力學(xué)性能，超過標(biāo)準(zhǔn)和客戶的要求。

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