鋁合金最佳固溶時效強化工藝參數(shù)的研究(改)

1、題目：鋁合金最佳固溶時效強化工藝參數(shù)的研究 AlSiCuMgMn系合金最佳固溶時效強化工藝參數(shù)的測定學校：天津理工大學學院：材料科學與工程班級：材料類材料一班學號：20124522姓名：Aluminum alloy best solution ageing strengthening research of process parameters - Al - Si - Cu - Mg - Mn alloy solid solution aging best strengthen the determination of process parameters School: tianjin po

2、lytechnic universityCollege: materials science and engineeringClass: class materialsStudent number: 20124522摘要：通過制備-Al-Si-Cu-Mg-Mn合金試樣合金的熔煉合金的固溶時效處理金相顯微組織分析機械性能測定，對所得數(shù)據(jù)和金相組織圖分析得出最佳的鋁合金固溶與時效溫度及熱處理工藝參數(shù)。結(jié)果表明,該合金具有顯著的時效強化特性,經(jīng)固溶510×6h淬火+時效170×7h工藝處理后,合金的硬度達271HB。關(guān)鍵詞：-Al-Si-Cu-Mg-Mn合金;固溶時效;布氏硬度;

3、中間合金;金相組織。 Abstract: through the preparation - Al - Si - Cu - Mg - alloy smelting - - Mn alloy specimen of alloy solid solution aging treatment, metallographic microstructure analysis, mechanical property testing, microstructure of the obtained data and diagram analysis it is concluded that the best

4、 aluminium alloy solid solution and aging temperature and heat treatment process parameters. Results show that the alloy has significant limitation, strengthening the solid solution quenching and aging 170 510 x 6 h x 7 h after processing, the hardness of alloy 271 hb.Keywords: - Al - Si - Cu - Mg -

5、 Mn alloy; Solid solution aging; Brinell hardness; Intermediate alloy; The microstructure.一、綜述近年來，在Al-Cu及Al-Zn-Mg系中發(fā)展出了高強度鑄造合金，這些合金在室溫下具有高的強度和延伸率的數(shù)值，但是這些合金存在著鑄造性能不好，高溫性能差的缺點，因此研究具有高強度、良好流動性和優(yōu)良鑄造性同時具備良好的低膨脹系數(shù)，優(yōu)良抗腐蝕性能的鋁合金就有著重要的現(xiàn)實意義。于是提供一種具有優(yōu)異的鑄造性能和高強度的Al-Si-Cu-Mg-Mn鋁合金的研究就產(chǎn)生了。下面就Al-Si-Cu-Mg-Mn合金最佳固溶時效

6、強化的參數(shù)進行了研究，共分為四組，每組有五個試樣，共進行了20組不同溫度下的實驗，來探索Al-Si-Cu-Mg-Mn合金最佳固溶時效強化工藝參數(shù)。二、實驗1、實驗目的：通過AlSiCuMgMn的成分配制合金的熔煉合金的固溶時效顯微組織分析機械性能測定，最終測得最佳的鋁合金固溶與時效溫度及熱處理時間的工藝參數(shù)。2、原理概述：從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子聚焦區(qū)以及亞穩(wěn)定過渡相的過程稱為脫溶或沉淀，是一種擴散型相變。具有這種轉(zhuǎn)變的最基本條件是，合金在平衡狀態(tài)圖上有固溶度的變化，并且固溶度隨溫度降低而減少，如圖1所示。如果將C0成分的合金自A單相固溶體狀態(tài)緩慢冷卻到固溶度線（MN

7、）以下溫度（如T3）保溫時，相將從相中脫溶析出，相的成分將沿固溶度線變化為平衡濃度C1，這種變化可表示為：（C0）（C1）。為平衡相，可以是端際固溶體，也可以是中間相，反應產(chǎn)物為（）雙相組織，將這種雙相組織加熱到固溶度線以上某一溫度，（如T1）保溫足夠時間，將獲得均勻的單相固溶體相，這種處理稱為固溶處理。圖1固溶處理與時效處理的工藝過程示意圖若將經(jīng)過固溶處理的C0成分合金急冷，抑制相分解，則在室溫下獲得亞穩(wěn)的過飽和相固溶體。這種過飽和固溶體在室溫或在較高溫度下等溫保持時，亦將發(fā)生脫溶，但脫溶往往不是狀態(tài)圖中的平衡相，而是亞穩(wěn)相或溶質(zhì)原子聚焦區(qū)。這種脫溶可顯著提高合金的強度和硬度，稱為沉淀強化或

8、時效強化，是強化合金材料的重要途徑之一。固溶加時效是提高合金強度的一種重要途徑，它不同于鋼材的強化，鋼在淬火后可立即獲得很高的硬度和強度。鋁合金淬火后，硬度和強度并不立即升高，但塑性較高，但把這種淬火后的鋁合金放置一些時間（46天）后，強度和硬度顯著提高，而塑性明顯降低。人們把淬火后的鋁合金性能隨時間而發(fā)生顯著提高的現(xiàn)象稱為時效。時效可以在室溫發(fā)生，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（100200）內(nèi)發(fā)生。前者稱自然時效，后者稱人工時效。本實驗采用AlSiCuMgMn進行溫時效，在不同的溫度下等溫，然后測定合金的硬度，繪制時效硬化曲線。AlSiCuMgMn系合金經(jīng)熔煉，金屬模鑄造，固溶時效處理后，

9、合金強度為460500MPa，同時還具有良好的流動性和優(yōu)良的鑄造性能。本合金基本成分為9.5Si、4%Cu、0.5%Mg、0.5Mn，由于這種合金不像AlCu及AlZnCu高強度鑄造鋁合金那樣受到熱裂的影響，且合金含有硅，具有良好的充填能力和流動性，因而能夠生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的鑄件。合金中的銅主要是提高合金的強度，鎂提供時效硬化，而錳提高合金的高溫性能。這種合金比SAE323耐熱合金在高溫下具有更高的強度，以及較低的膨脹系數(shù)，優(yōu)良的鑄造性能，優(yōu)良的抗腐蝕性能，這些優(yōu)點既適合于高強度，同時也適合于高溫下應用。這種合金用于工作條件嚴格的汽缸、活塞和汽缸頭，同時也被用于經(jīng)表面處理的整體汽缸材料。它的低生產(chǎn)

10、成本，較好的機械性能、鑄造性能，使其在廣闊的領(lǐng)域中得到應用。近年來，在Al-Cu及Al-Zn-Mg系中發(fā)展了高強度鑄造合金，這些合金在室溫下具有高的強度和延伸率的數(shù)值，但是這些合金存在則著鑄造性能不好，高溫性能查的缺點，因此提供優(yōu)異的鑄造性能以及高強度的一種Al-Si-Cu-Mg-Mn合金的研究就產(chǎn)生了。3、實驗步驟（一）合金的制備：1.合金成分的設(shè)計：該合金采用普通工業(yè)0號純鋁、純鎂、鋁-硅、鋁-銅、鋁-錳中間合金純金屬整體的成分制備出含9.5Si、4%Cu、0.5%Mg、0.5Mn其余為Al的合金。2.所有與鋁合金接觸的鐵質(zhì)工具等均刷上涂料。涂料成分為：15滑石粉、3%水玻璃、82水。石墨

11、坩鍋、金屬鑄型應涂刷上85滑石粉、10水玻璃、5水配成的涂料，并且在200的爐中烘干備用。3.將坩鍋電爐升溫，并將Al及AlSi、AlCu、AlMn合金加入到坩鍋中，將爐溫升溫到760左右，待合金全部熔化后，用鐘罩將鎂條壓入液態(tài)合金中，并進行攪拌。為減少合金對氫氣的吸收合金還要進行除氣操作。用2的六氯乙烷除氣，方法是用金屬鐘罩將六氯乙烷壓入合金底部。扒渣靜置后，在740將液態(tài)合金澆注到金屬模型中，冷卻后制成試樣備用。（二）合金的固溶與時效：本實驗的固溶加熱溫度及保溫時間和人工時效的時效溫度與時效時間由同學們自己設(shè)定，根據(jù)同學們自己設(shè)定的一系列不同的固溶時效工藝參數(shù)的結(jié)果，進行金相顯微組織分析和

12、力學性能測試，分析找出最佳固溶時效工藝參數(shù)，4、實驗設(shè)備及材料熔煉爐，金相顯微鏡，硬度計，讀數(shù)顯微鏡，切割機，拋光機，熱電偶，石墨坩鍋，純鋁及鋁合金等。5、實驗方法（一）合金成分的制備采用形成中間合金的辦法配制：該合金采用普通工業(yè)0號純鋁、純鎂、鋁-硅、鋁-銅、鋁-錳中間合金純金屬整體的成分制備出含9.5%Si、4%Cu、0.5%Mg、0.5%Mn，其余為Al的合金。配置1000g實驗材料：由表2可計算475g Al-Si合金有95gSi，380gAl；80gAl-Cu合金有40gCu，40gAl；50gAl-Mn合金有45gAl，5gMn；加入5gMg和390gAl。所有與鋁合金接觸的鐵質(zhì)工

13、具等均刷上涂料。涂料成分為：15%滑石粉、3%水玻璃、82%水。石墨坩堝、金屬鑄型應涂刷上85%滑石粉、10%水玻璃、5%水配成的涂料，并且在200攝氏度的爐中烘干備用。（二）鋁合金的熔煉工藝制備時將坩堝電爐升溫，并將Al及Al-Si、Al-Cu、Al-Mn合金加入到坩堝中，將爐溫升溫到760攝氏度左右，待合金全部熔化，去表面雜質(zhì)，用鐘罩將Mg條壓入液態(tài)合金中，并進行攪拌。同時進行除氣操作減少合金對氫氣的吸收，即用金屬鐘罩將2%的六氯乙烷壓入合金底部。扒渣后靜置，在740攝氏度將液態(tài)合金澆注到金屬模型中，冷卻后制成試樣備用。（三）合金的固溶時效：本實驗從金屬材料上，截取20個大小相差不大的試樣

14、，每5個試樣分為一組，共有四組，每組每個試樣的試驗條件如表三所示：合金固溶時效工藝設(shè)定（三）合金的性能測定根據(jù)表三進行固溶或者固溶時效處理后，測定試樣的布氏硬度。在制備和測試的時候應當注意如下兩點：1.測量布氏硬度時，必須磨平，若有毛坯測量出的硬度會不準確。然后在布氏硬度試驗機上進行布氏硬度測量。然后在讀數(shù)顯微鏡下讀出壓痕的直徑，根據(jù)壓痕直徑和實驗規(guī)范查出布氏硬度數(shù)值表，得出試樣的布氏硬度值。記錄數(shù)據(jù)見表四。2.一定溫度下固溶處理后，淬火時，注意淬火過程操作，淬火時給予鑄件的冷卻速度越大，使固溶體自高溫狀態(tài)保存下來的過飽和度也越高，從而使鑄件獲得高的力學性能，但同時所形成的內(nèi)應力也越大，使鑄件

15、變形的可能性也越大。 （四）金相試樣制作與觀察(1).首先用粗砂紙進行單向磨削，磨到試樣上只有一個方向的磨痕就可以了。(2).沖洗干凈，換小一號的細砂紙，垂直剛才磨削方向進行磨削，直到第一步磨削方向消失。 (3).沖洗干凈，繼續(xù)更換更小一號砂紙，重復步驟第1、2步，一共進行5道砂紙磨削。 (4).對磨完用水沖洗干凈的試樣進行拋光處理，在拋光過程中加入拋光劑。通過經(jīng)驗可知，被拋光材料越軟，拋光紙越細。鋁合金用的是氧化鎂做拋光粉。(5).此時觀察磨削面成鏡面，用水沖洗后，用電吹風機進行吹干，然后放入用氫氧化鈉進行腐蝕30秒左右，然后用水沖洗干凈，再用電吹風機進行吹干。(6).將吹干后的試樣用鑷子拿

16、到金相顯微鏡下進行觀察，不能碰到要觀察的那面，試樣合格，拿去照相出金相組織圖。 三、實驗結(jié)果分析按照預定實驗方法，獲得如下表格數(shù)據(jù)：在490170時效硬度最高，在500180時效硬度最高，在510170時效硬度最高。 鑄態(tài)圖111 圖121 圖131此四圖為-Si-Cu-Mg-Mn合金鑄態(tài)狀態(tài)下的組織形貌。由圖見 ,鑄態(tài)組織存在著嚴重的偏析 ,第二相幾乎是沿著粗大樹枝晶邊緣生成 ,且呈針狀和小塊狀 。有表四可知，在固溶溫度低于520時，鑄態(tài)鋁合金的硬度高于固溶合金試樣，而在達到520，鑄態(tài)鋁合金的硬度低于固溶合金試樣，但是鑄態(tài)試樣硬度總是低于固溶+時效的合金試樣。圖 141當固溶溫度過低時 ,

17、脫溶質(zhì)點時,在質(zhì)點周圍生成位錯環(huán)或以切過質(zhì)點的方式通過脫溶質(zhì)點的阻礙。在時效硬化達到某一峰值后,時效時間再延長則硬度值下降,產(chǎn)生過時效。溫度越高,到達過時效階段就越快。圖2-1固溶490 圖2-2固溶500 圖2-3固溶510 圖2-4固溶520圖2-1，圖2-2，圖2-3和圖2-4為Al-Si-Cu-Mg-Mn合金分別經(jīng)490、500、510和520固溶處理后所得到的試樣在金相顯微鏡下的照片。帶有顏色元素的區(qū)域每后面一幅圖比上幅圖上帶顏色的元素的區(qū)域明顯減少，證明有部分為暗紅色的元素在固溶處理時又熔化了，又進入了鋁合金。表二中有不同溫度固溶處理后 Cu2Ni2Al2Si合金的硬度性能變化情況

18、。由表二可知 , 為Al-Si-Cu-Mg-Mn合金在 520固溶處理時 ,由于溶質(zhì)原子的固溶強化作用要高于第二相對合金的強化貢獻 ,所以 ,隨著固溶溫度的升高 ,合金的硬度呈上升趨勢 , 520時合金的硬度達到最高。固溶目的是在合金晶粒不長大的前提下盡可能多的使合金的第二相溶入固溶體中 ,進而為合金的下一步時效作組織準備。從固溶處理目的來看 , 520是 Al-Si-Cu-Mg-Mn合金最佳固溶處理溫度。2.2固溶處理（1）合金時效強度取決于位錯與脫溶相質(zhì)點的相互作用。當運動位錯遇到脫溶質(zhì)點時 ,在質(zhì)點周圍生成位錯環(huán)或以切過質(zhì)點的方式通過脫溶質(zhì)點的阻礙。在時效硬化達到某一峰值后 ,時效時間再

19、延長則硬度值下降 ,產(chǎn)生過時效。溫度越高 ,到達過時效階段就越快。表二中有 Al-Si-Cu-Mg-Mn合金 分別經(jīng)490、500、510和520固溶處理后 ,又分別經(jīng)160、170和180溫度時效溫度，硬度值出現(xiàn)了一系列的變化。對于固溶490×6h和固溶510×6h，隨著時效溫度的不斷提高，硬度不斷提高，說明時效硬化還沒到達其峰值。對于固溶500×6h，隨著時效溫度的不斷提高，硬度反而下降，說明時效硬化已過時效。對于固溶520×6h，隨著溫度的提高，在時效溫度170時出現(xiàn)了小幅度降低，但是基本是同固溶490×6h和固溶510×6h+

20、時效的變化趨勢類似但是從數(shù)值上來說，其硬度最大值是固溶520×6h+時效180×7h，其硬度值是271HB高于其他的固溶時效工藝參數(shù)下的試樣。（2）在對各時效的試樣進行金相顯微鏡的觀察，獲得如下的圖片:A固溶490×6h時各時效溫度下的試樣形貌圖3-11時效160×7h 圖3-12時效170×7h 圖3-13時效180×7h 同一個固溶溫度下處理，不同的時效溫度處理的鋁合金比較分析：圖3-11與圖3-12相比較，時效析出的元素在圖3-12中析出的數(shù)量和種類上有所增加，時效彌散程度也增大了，所以由此可以判斷圖3-12的硬度應該大于圖3-

21、11。類似的如圖3-13和圖3-12。B. 固溶500×6h時各時效溫度下的試樣形貌圖3-21時效160×7h 圖3-22時效170×7h 圖3-23時效180×7h首先由圖3-11和圖3-12兩個圖進行比較可以看出圖3-12所示圖上帶有暗紅色元素的區(qū)域比起圖3-11所示圖上帶有暗紅色元素的區(qū)域明顯減少，證明有部分為暗紅色的元素在固溶處理時又熔化了，又進入了鋁合金。圖3-13是180時效，此圖與圖3-11和圖3-12相比，時效析出了元素的區(qū)域的顏色比圖3-11和圖3-12上的暗紅色區(qū)域多而且發(fā)黑，說明了時效彌散的程度。黑度越大，說明了時效彌散越好。再者圖3-22和圖3-23與圖3-21相比較，圖3-22和圖3-23時效析出的元素更多，而且在照片上顯示非常明顯。但是由于時效溫度的升高，大量的元素過多析出稱為沉淀相，沉淀相與基體不共格，形成了過時效現(xiàn)象（引用材料科學基礎(chǔ)），所以可推得其硬度值會相對有所下降，即會使在180和170時，該合金的硬度相對于160時效的合金硬度來說有所下降，即推出圖3-21所示