水淬温度对Al-4.5%Cu硬度的影响

摘要

研究了0°C、25°C、40°C水淬介质中Al-4.5% Cu的析出动力学。用作炉料原料的铝锭和铜锭在容量为150公斤的倾斜坩埚炉(电炉)中熔化。然后，将熔化的合金直接从坩埚罐中倒入金属模具中，在模具中凝固并在室温下冷却，之后从模具中取出样品。铸造样品在545°C的马弗炉中溶解1小时，然后在25°C的水中浸泡10分钟。在130℃的炉内进行沉淀热处理。重复这一过程，但分别用0°C、40°C的水和室温蒸馏水在不同的陈化时间进行。淬火时硬度和时效后硬度用洛氏硬度计测定(模型HRS 150)，遵守ASTM D785。结果表明，0℃水淬后80 min试样的硬度峰值为23.8。该合金可应用于汽车零部件的开发。

关键字

铝，铜，淬火，水，硬度，沉淀，温度

简介

铝及铝合金具有许多突出的属性，这导致了广泛的应用，包括良好的耐腐蚀和抗氧化性，高导电率和导热率，低密度，高反射率，高延展性，合理的高强度，以及相对较低的成本。铝是一种密度为2.7 g/cm3 (0.1 lb/in.3)的轻质材料。铝是地壳中含量第三多的元素(仅次于氧和硅)，也是最丰富的金属，占地壳质量和重量的8% [1］．纯铝及其合金具有面心立方(FCC)结构，其熔点稳定在657°C(1215°F)。由于FCC组织中包含多个滑移面，这种晶体结构极大地促进了铝合金优异的成形性[2］．铝合金表现出强度和延展性的良好结合。

这些材料优异的力学性能和相对较低的生产成本，使其在科学和技术方面的各种应用具有很大的吸引力。按强度重量比计算，大多数铝合金优于钢，但耐磨性、蠕变和疲劳性能通常稍差[3.］．

像铝一样，铜是100%可回收的，无论是从原料状态还是从制成品中都没有任何质量损失。按体积计算，铜是仅次于铁和铝的第三大可回收金属。

众所周知，热处理是提高铝合金力学性能的重要方法之一[4］．时效硬使铝合金的热处理包括固溶化，淬火，然后在室温(自然时效)或在高温(人工时效)下时效[5］．

沉淀硬化合金可以在相对柔软的状态下形成，然后在成形操作完成后热处理到更高的强度水平。此外，铝及其合金无毒，是最容易回收的结构材料之一。合金的最终性能不仅取决于它的化学成分，还取决于它的冶金历史[6］．使用不同的处理方法来改变合金的性能是可能的。因此，为了达到所需的性能，找到最佳的处理方法具有根本的重要性。基于Al-Cu体系的合金在高温下具有优异的蠕变强度[7］．

淬火是抑制沉淀、保持固溶体超饱和、控制变形、减小铝合金残余应力的关键步骤。铝合金常用的淬火介质有卤水溶液、水和聚合物解决方案(8］．淬火槽的物理性能直接影响淬火件的冷却速度。这些特性包括淬火剂的类型、温度、浓度和搅拌水平[8］．必须控制这些参数，以优化合金组织、性能和淬火工艺。铝合金的时效硬化基本上是通过过饱和固溶体中析出的极小且分布均匀的分散颗粒对金属合金进行强化。这种合金随着时间的推移而变硬，或者随着它的老化而增加硬度和强度。

淬硬合金的硬度随时效时间的增加而增加。淬火合金在室温下的时效称为自然时效，而在高温下的时效称为自然时效人工老化。当溶质的溶解度随着温度的降低而降低时，就会发生固溶沉淀。第二相的析出物在性质上应该是相干的。时效硬化的目的是在热处理合金中形成密集的细分散的析出颗粒矩阵可变形金属。析出颗粒对位错运动起阻碍作用，从而增强热处理合金的强度。

也就是说，过饱和固溶体沉淀强化的一般要求是形成细小分散的颗粒[9］．析出颗粒成核长大;通过溶质原子从基质相扩散到它。之所以称之为沉淀，是因为新相的小颗粒被称为沉淀物[10］．人工老化不仅要在平衡溶剂温度以下完成，而且要在亚稳态混相间隙(称为吉尼埃-普雷斯顿区(GP)溶剂线以下完成。沉淀强化或时效强化是金属合金最广泛使用的强化机制之一。沉淀强化过程包括三个基本步骤:

溶液热处理或均质化

在这一步中，成分为X1的合金被加热到温度T1，介于溶剂和固相温度之间，以便将凝固过程中形成的相均匀地溶解和分散在基体中，并在基体中浸泡，直到所有溶质溶解到X相，产生均匀的固溶结构。析出相被溶解，任何存在于原始合金中的偏析都减少了。

淬火

固溶体迅速冷却，形成过饱和固溶体。淬火工艺的原理是在均匀化温度以下保持合金的高温均匀固溶体结构图1．

老化

这是从过饱和固溶体中析出相干或不相干沉淀物的过程。将过饱和固溶体加热到溶剂温度以下，以产生细分散的沉淀物图2．

强化机制在锻造，热处理铝合金可以证明使用铝铜合金如所示图1所示。

沉淀硬化铝合金热处理分为三个步骤:固溶热治疗淬火和时效硬化。固溶处理的目的是溶解可溶相。淬火的目的是保存通过快速冷却到较低温度(通常是室温)而形成的固溶体。时效硬化的目的是析出强化相[3.］．固溶处理和时效硬化步骤中超过或低于规定温度范围的过热以及淬火不当可能导致机械性能退化。

硬化是通过从过饱和固溶体中有控制地排出铜来实现的。铜在α-铝中的溶解度随着温度的升高而增加，达到共晶温度540℃左右。在共晶温度以下的平衡组织为α-铝和CuAl2金属间相的两相混合物。从溶液温度快速淬火防止θ的运动缓慢沉淀，形成高度过饱和的铜固溶体图3．

Al-4.5%铜合金在航空航天和汽车工业中有着广泛的应用[12］．这可以归因于其高强度重量比，以及其在高温下抗拉强度的特性增加。

本文研究了不同淬火温度下的水淬剂对Al-4.5% Cu析出动力学的影响。

材料与方法

材料采购

花纹制作材料，如木材，钉子等，阿武克河硅砂煤尘，膨润土，铝锭，铜锭，高温计，钢包坩埚炉，热处理炉，水，蒸馏水，砂纸，蚀刻剂，尼康相机显微镜，硬度试验机。

融化的过程

每种熔体所需的成分是通过称重其重量百分比来制备的。经过电荷计算，为氧化损失留出空间，在每种情况下都略微超过了这一数值。熔炉经过彻底检查后点燃。材料在容量为150公斤的倾斜坩埚炉(电)中熔化。炉料原料为;铝锭和铜锭。要进炉的材料要根据配料表正确称重，因为称重错误会导致产品不符合规格而成为废品。由于铜锭的熔点较高，所以首先将其放入炉中。虽然铜的熔点1083°C比铝的660°C高，但铝的熔点高到足以引起铜原子在熔体中的扩散。

将钢锭放入炉中是温和的分批过程，这有助于消除对内衬的损坏以及在炉中形成金属桥的可能性。随后，将熔融合金直接从坩埚罐中倒入金属模具中。在模具中凝固，并在室温下冷却一段时间，之后将铸件/样品从模具中取出。铸造的圆棒在车床上铣削，以获得直径20毫米和长度140毫米。每块铁条用钢锯切成12块，每块20毫米× 20毫米。

它们被加工成所需的形状和尺寸，用于各种测试，使用标准规格。

实验的程序

从铸件中获得7根直径20毫米、长140毫米的Al-4.5%铜合金圆棒材，被切割成12块直径20毫米× 20毫米的圆盘，共84块。将前12个圆盘放在约545°C的马弗炉中，使其溶解1小时，然后在25°C的水中浸泡10分钟。从12个圆盘中取出1个，测得淬火硬度和显微组织。其余11个圆盘放入130℃的炉中进行沉淀热处理。选择130°C是为了确保首先形成相干沉淀，因为它低于GP1和GP2区域的溶剂线。15分钟后，从11个试样中取出一个，取其硬度和微观结构，然后每隔15分钟取出3个试样。其余7个标本每隔20分钟取出，使总老化时间达到200分钟。对每一个试样都取硬度读数。

硬度试验

对样品进行的硬度类型是洛氏硬度测试，因为它可以快速和直接读取硬度值。在洛氏硬度计(HRS 150型)中，将试件放在机器上，在初始载荷为100N和初始载荷为1371N的情况下，在总载荷为1471N的情况下，将压头(钢球)与试件的制备表面接触。雷竞技网页版现在按下开始按钮，读数自动显示在屏幕上。对每个试件做三个压痕，取平均值。符号HR由字母(B或C)补充，表示所使用的硬度标尺。在这个测试中使用的刻度是C刻度，使值为HRC。

结果与讨论

洛氏硬度试验

从研究结果来看表1淬火时的硬度值为12.2HV。在此之后，硬度值逐渐增加，在80分钟达到峰值，硬度值为23.8HV。这可能是由于合金体系的原子有足够的时间扩散，从而导致析出相达到所需的临界尺寸和分布，从而发生沉淀硬化。结果，形成了分散良好的细析出相。这些析出相有效地延缓了位错的运动，因此，观察到硬度值增加。随着时效时间的增加，从100分钟到120分钟，硬度值逐渐降低，这是由于随着时效的进行，细析出相向粗析出相转变。合金中这些细小的析出相会阻碍位错在合金体系中的运动，从而使合金硬化图4．此外，由于体系温度为0°C，合金原子的扩散速度太慢，因为温度影响扩散速度，这证实了Ilangovan和Sellamuthu的工作[12］．

表1。0℃水淬试样硬度试验结果。

25ºC水淬样的洛氏硬度测试结果载于表2在这里的情节图5．试样在淬火状态下的洛氏硬度为4.6。在1小时20分钟即80分钟时洛氏硬度值最高，为16.07，而在15分钟时洛氏硬度值最低，为6.1。经过十五分钟的老化，硬度材料增加，在80分钟时达到最大值16.07。此后，它又从100分钟继续减少到200分钟。在Al-Cu二元合金中，析出顺序可表示为:过饱和固溶体-•GP区-•θ′-•θ′-•θ (Al2Cu)。在这些合金中，在室温下观察到的硬化是由于铜原子的局部浓度形成了吉尼埃-普雷斯顿区(GP(1))。原子没有足够的时间扩散到潜在的成核位置，因此θ沉淀物没有形成，因此硬度值下降。此外，当析出相变得过于粗化时，它们过于分散，不能有效地延缓位错运动，硬度降低。80分钟时达到峰值16.07;在此时间之后，它再次下降，在200分钟时达到最低硬度值7.3。正如Sheng所指出的，最大硬度值，即所谓的峰值时效点或T6回火，与沉淀物达到临界尺寸和分布有关。析出硬化过程的目的是在合金中形成细小分散的析出相。合金中的细小析出相通过迫使位错穿过析出的颗粒或绕过它们来阻碍位错的运动。 By restricting the dislocation movement during deformation, the hardness of the alloy is improved. Optimal mechanical properties are achieved by growing the θ" phase as large as possible without beginning to form the intermediate θ’ phase. The observed decrease in hardness value after the peak hardness value of 16.07 at eighty minutes is likely due to the formation of intermediate ‘θ’ phase which caused recrystallization, softening, and a decrease in hardness; this is known as over-aging. Therefore, as was noted by Ilangovan and Sellamuthu [12］．硬度随时效时间的增加而增加，达到一定的极限，这取决于合金成分和时效温度。

表2。25℃水淬试样硬度测试结果。

40°C水淬试样的硬度测试结果见表3并绘制在图6．正如Shen所观察到的，在水淬时，可以通过提高水温来降低冷却速率。随着时效温度的升高，析出相的最佳尺寸和分布在较高的温度下会更快形成，从而使硬度峰值在较短的时间内出现。从表3时效45min时，硬度达到18.9HV的峰值。随着温度的升高，析出相的数量减少(过饱和程度降低)，峰值硬度的大小减小。40岁一个ƒ€¹‚¡C,表3时，峰值硬度较温度较低时低。这与Kadhim的工作是一致的，他指出水温的升高会降低水淬合金的硬度。通过加热水，水的淬火特性显著改变(http://www.croucher.us/water-quenching)。同时，在一定的时效温度下，溶质含量越高，峰值硬度达到的速度就越快，因为过饱和越大，扩散也就越快。提高水温度会导致硬度和拉伸性能的显著损失，当零件老化后，特别是在热处理更淬火敏感的2000和7000系列合金时(http://www.croucher.us/water-quenching)。

3.40℃水淬试样硬度测试结果

介绍了蒸馏水淬火试样的洛氏硬度试验结果表4并绘制在图7。淬火状态下试样的硬度值为12.55HV。140分钟时洛氏硬度值最大，为21.16HV, 200分钟时洛氏硬度值最低，为12.4HV。达到峰值硬度的时间较长可能是由于合金体系中细分散析出相的形成延迟导致沉淀硬化过程，也可能是由于铜原子在蒸馏水中的扩散速率较低。随着合金体系中Cu原子浓度的逐渐降低[13]，发现析出硬化延迟，时效时间较大时出现偏铜区和峰值硬度。在所有热处理条件下，显微硬度均随时效时间的延长而增大至峰值，然后随时效时间的延长而降低。这可以用CuAl2析出相随时效时间的演变以及析出相与位错之间的相互作用来解释。水淬试样通常在时效后期出现硬度峰值，这可以归因于铜原子从母材向基体间的扩散金属合金区域，从而降低沉淀硬化所需的铜浓度。水淬样产生更多位错。

表4。蒸馏水淬火试样硬度试验结果。

结论

研究了0°C、25°C、40°C水淬介质中Al-4.5% Cu的析出动力学。0°C和25°C的水经过相同的时效1小时20分钟后，硬度值达到峰值，但0°C的水硬度值最高，为23.8。在40°C水中淬火的样品，其硬度值在45分钟的时效时间内较短。在0°C蒸馏水中淬火，经过1小时50分钟的老化时间达到硬度峰值。因此，水的温度和水存在的状态影响在水中淬火的Al-Cu合金的沉淀动力学，正如所研究的样品中硬度值所示[14］．

参考文献

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