熱處理對新型鋁青銅性能的影響

張 健

（沈陽有色金屬加工有限公司，遼寧 沈陽 110101）

在模具行業，人們要求模具材料不僅要具有優良的硬度和耐磨性，還需要具有相匹配的導熱性。而伴隨我國模具業的快速發展，人們需要更多性能優異的模具材料。由于鋁青銅合金具有較高的硬度、強度、耐磨性和優良的導熱性，同時其鑄造性能優良，使得鋁青銅成為模具材料的理想材料而獲得人們越來越廣泛的關注。不銹鋼坯料在使用鋁青銅模具用于壓延和拉伸時，表現出不粘模工件、不易劃傷的特性，同時還可提升模具壽命和產品品質。我國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相關的從業者具有參考價值。

1 試驗材料與方法

試驗利用50Kg的中頻氣氛保護感應爐進行熔煉制備新型鋁青銅合金，其合金的化學成分組成為Cu11.6Al3Ni3Fe1.5Mn0.5Ti，并在鐵模中進行澆鑄成鑄錠，用車床銑掉表面鑄造缺陷后，加工成試驗所需的試樣。熱處理試驗在箱式電阻爐中進行[1]。

硬度測試采用型號為HBS-3000數顯布氏硬度計進行硬度測試，力學性能試驗采用Z050 THW型電子萬能材料試驗機開展試驗。能譜掃描則采用日本電子JSM-IT300型掃描電鏡進行觀察分析[2]。

2 試驗結果與分析

2.1 鑄態時新型鋁青銅合金性能

圖1為鑄態下新型鋁青銅合金的力學性能值，其中抗拉強度為681MPa，延伸率為6.4%，硬度值為285HBW，熱擴散系數為9.6mm2/s。其對應的組織和相組成見圖2和圖3所示。由圖可知，合金鑄態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衍射分析結果，可基本確定新型鋁青銅合金的鑄態相主要由基體α相、κ相、γ2相和β′相構成。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，由于冷卻強度大，使得γ2相在β相中析出，同時β→α+γ2轉變并未來得及完全進行，從而出現了非平衡相。此外，合金中的大部分元素因冷卻強度較大，來不及進行相應的擴散反應，從而出現枝晶偏析的情況。

圖1 新型鋁青銅合金鑄態性能指標

圖2 新型鑄態鋁青銅金相和掃描組織

圖3 新型鑄態鋁青銅XRD相成分結果

2.2 固溶處理對新型鋁青銅性能影響

試驗采用不同的固溶制度來研究其對新型鋁青銅合金性能的影響，其固溶溫度采取860℃～980℃這一區間范圍進行試驗，溫度間隔為20℃，保溫時間均統一2h，然后進行水淬。

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，先呈現出增加后下降的態勢。主要原因在于，隨著固溶溫度上升，晶粒逐漸長大，此時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℃時達到峰值。超過940℃后，由于晶粒發生了明顯的長大，晶粒粗化長大造成的軟化比析出的β′相導致的硬化高，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為經過固溶處理后新型鋁青銅合金的主要相構成，為α相、κ相和β′相。

2.3 時效處理對新型鋁青銅性能影響

試驗采用不同的時效制度來研究其對新型鋁青銅合金性能的影響，其時效溫度采取460℃～580℃這一區間范圍進行試驗，溫度間隔為20℃，保溫時間均統一4h。圖6為不同時效制度下的硬度值。由圖可知，隨著時效溫度的上升，硬度先升高后下降，并逐漸趨于平緩下將的態勢。主要原因在于溫度較低時，合金中析出的κ相減少，起不到強化的效果，隨著溫度上升，κ相析出增大且均勻分布在基體中，到500℃左右時硬度達到最大值，合金中各相析出強化達到最佳效果，隨著溫度繼續升高，合金中的α相逐漸增多，且晶粒長大逐漸粗大，使得合金變形協調的能力降低，使得硬度相應的降低。因此，可以說500℃×4h的時效處理制度是最佳的選擇工藝

圖6 不同時效制度下的硬度值

3 結論

①新型鋁青銅合金的鑄態相主要由基體α相、κ相、γ2相和β′相構成；②新型鋁青銅合金通過適當的熱處理后，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+時效處理工藝為500℃×4h。