張 健
(沈陽(yáng)有色金屬加工有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110101)
在模具行業(yè),人們要求模具材料不僅要具有優(yōu)良的硬度和耐磨性,還需要具有相匹配的導(dǎo)熱性。而伴隨我國(guó)模具業(yè)的快速發(fā)展,人們需要更多性能優(yōu)異的模具材料。由于鋁青銅合金具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和優(yōu)良的導(dǎo)熱性,同時(shí)其鑄造性能優(yōu)良,使得鋁青銅成為模具材料的理想材料而獲得人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注。不銹鋼坯料在使用鋁青銅模具用于壓延和拉伸時(shí),表現(xiàn)出不粘模工件、不易劃傷的特性,同時(shí)還可提升模具壽命和產(chǎn)品品質(zhì)。我國(guó)近年使用的模具材料主要以鐵基材料為主,如NiCr合金、Cr12MoV和Cr12等,但總體來說高端的模具材料還要依賴進(jìn)口。而研制成功的新型鋁青銅合金,不僅能滿足客戶的使用,還在一定程度上降低成本。本文通過熱處理,研究熱處理工藝對(duì)新型鋁青銅性能的影響,找出最佳的熱處理工藝,所開展的研究工作對(duì)相關(guān)的從業(yè)者具有參考價(jià)值。
試驗(yàn)利用50Kg的中頻氣氛保護(hù)感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉制備新型鋁青銅合金,其合金的化學(xué)成分組成為Cu11.6Al3Ni3Fe1.5Mn0.5Ti,并在鐵模中進(jìn)行澆鑄成鑄錠,用車床銑掉表面鑄造缺陷后,加工成試驗(yàn)所需的試樣。熱處理試驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行[1]。
硬度測(cè)試采用型號(hào)為HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試,力學(xué)性能試驗(yàn)采用Z050 THW型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)開展試驗(yàn)。能譜掃描則采用日本電子JSM-IT300型掃描電鏡進(jìn)行觀察分析[2]。
圖1為鑄態(tài)下新型鋁青銅合金的力學(xué)性能值,其中抗拉強(qiáng)度為681MPa,延伸率為6.4%,硬度值為285HBW,熱擴(kuò)散系數(shù)為9.6mm2/s。其對(duì)應(yīng)的組織和相組成見圖2和圖3所示。由圖可知,合金鑄態(tài)組織為樹枝狀的柱狀晶,并存在有一定程度的枝晶偏析,通過XRD衍射分析結(jié)果,可基本確定新型鋁青銅合金的鑄態(tài)相主要由基體α相、κ相、γ2相和β′相構(gòu)成。形成枝晶偏析的原因主要在于該鋁青銅合金在熔煉過程中,由于冷卻強(qiáng)度大,使得γ2相在β相中析出,同時(shí)β→α+γ2轉(zhuǎn)變并未來得及完全進(jìn)行,從而出現(xiàn)了非平衡相。此外,合金中的大部分元素因冷卻強(qiáng)度較大,來不及進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)散反應(yīng),從而出現(xiàn)枝晶偏析的情況。
圖1 新型鋁青銅合金鑄態(tài)性能指標(biāo)
圖2 新型鑄態(tài)鋁青銅金相和掃描組織
圖3 新型鑄態(tài)鋁青銅XRD相成分結(jié)果
試驗(yàn)采用不同的固溶制度來研究其對(duì)新型鋁青銅合金性能的影響,其固溶溫度采取860℃~980℃這一區(qū)間范圍進(jìn)行試驗(yàn),溫度間隔為20℃,保溫時(shí)間均統(tǒng)一2h,然后進(jìn)行水淬。
圖4 不同固溶制度下的硬度值
圖5 最佳固溶處理鋁青銅XRD相成分結(jié)果
圖4為不同固溶制度下的硬度值。由圖可知,硬度值隨著固溶溫度的升高,先呈現(xiàn)出增加后下降的態(tài)勢(shì)。主要原因在于,隨著固溶溫度上升,晶粒逐漸長(zhǎng)大,此時(shí)κ相慢慢的溶解到基體銅中,使得α相降低,β′相逐漸增加,而α相和β′相兩相的硬度中β′相硬度高,從而使得合金硬度值逐漸增加,且到940℃時(shí)達(dá)到峰值。超過940℃后,由于晶粒發(fā)生了明顯的長(zhǎng)大,晶粒粗化長(zhǎng)大造成的軟化比析出的β′相導(dǎo)致的硬化高,從而使得合金的硬度降低,可以說940℃×2h的固溶制度是最佳的選擇工藝,圖5為經(jīng)過固溶處理后新型鋁青銅合金的主要相構(gòu)成,為α相、κ相和β′相。
試驗(yàn)采用不同的時(shí)效制度來研究其對(duì)新型鋁青銅合金性能的影響,其時(shí)效溫度采取460℃~580℃這一區(qū)間范圍進(jìn)行試驗(yàn),溫度間隔為20℃,保溫時(shí)間均統(tǒng)一4h。圖6為不同時(shí)效制度下的硬度值。由圖可知,隨著時(shí)效溫度的上升,硬度先升高后下降,并逐漸趨于平緩下將的態(tài)勢(shì)。主要原因在于溫度較低時(shí),合金中析出的κ相減少,起不到強(qiáng)化的效果,隨著溫度上升,κ相析出增大且均勻分布在基體中,到500℃左右時(shí)硬度達(dá)到最大值,合金中各相析出強(qiáng)化達(dá)到最佳效果,隨著溫度繼續(xù)升高,合金中的α相逐漸增多,且晶粒長(zhǎng)大逐漸粗大,使得合金變形協(xié)調(diào)的能力降低,使得硬度相應(yīng)的降低。因此,可以說500℃×4h的時(shí)效處理制度是最佳的選擇工藝
圖6 不同時(shí)效制度下的硬度值
①新型鋁青銅合金的鑄態(tài)相主要由基體α相、κ相、γ2相和β′相構(gòu)成;②新型鋁青銅合金通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?,其性能得到大幅的提升,使得該鋁青銅合金基本符合模具材料的要求,其最佳的熱處理工藝為:固溶處理工藝940℃×2h+時(shí)效處理工藝為500℃×4h。