激光熱處理對鑄造鋁青銅合金微觀組織與硬度的影響

唐劍隱，黃根哲，師東生

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

從20世紀(jì)50年代以后，在生產(chǎn)力水平和技術(shù)革新的帶動之下，科學(xué)家對鋁青銅合金的研究領(lǐng)域不斷深入，發(fā)展和研究出一系列具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性能好、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的形狀記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)的適用于不同行業(yè)的高性能鋁青銅合金。鋁青銅的綜合機(jī)械性能優(yōu)越，特別在價格上比一般昂貴的合金便宜得多，在符合工作要求的條件下可作為某些昂貴的金屬材料和有毒材料的替代品，已成為機(jī)械工業(yè)不可或缺的有色金屬合金之一，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、海洋、冶金、建筑和航空航天等領(lǐng)域。

激光熱處理技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛也相對成熟的激光加工技術(shù)之一，但國內(nèi)外利用激光熱處理技術(shù)對鑄造鋁青銅合金進(jìn)行熱處理的研究并不多，鑒于此，本文對鋁青銅合金試件進(jìn)行激光熱處理，研究和比較激光熱處理對合金顯微組織和性能的影響。

1 實(shí)驗材料與方法

金相試樣規(guī)格為10mm×10mm×10mm，用XD－2型金相顯微鏡觀察試樣組織；用DK77電火花數(shù)控切割機(jī)床分別切取成試樣小塊；用金相砂紙和拋光機(jī)對試樣進(jìn)行磨制、拋光，并用氯化高鐵鹽酸水溶液（FeCl3＋HCl＋H2O）對試樣進(jìn)行浸蝕，處理方法為擦拭法；采用5軸數(shù)控激光加工機(jī)床配備5kW羅芬二氧化碳激光器對試件進(jìn)行激光熱處理，相關(guān)激光工藝參數(shù)為：功率P＝1 500W、速度v＝500mm／min、矩形光斑模式并調(diào)節(jié)正離焦光斑尺寸為2mm×2mm；采用FEI公司的XL30場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察表面形貌，同時利用EDAX能譜議對合金中的特征點(diǎn)進(jìn)行微區(qū)成分分析；利用Image－Pro Plus 7．0圖像處理軟件分析試件的物相組成；采用FM－700顯微硬度儀測定試樣的維氏硬度 ，加載質(zhì)量50g，保持15s。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2．1 合金的化學(xué)成分

本實(shí)驗采用的鑄造鋁青銅合金牌號為ZCuAl10Fe3Mn2，其化學(xué)成分見表1。

表1 鑄造鋁青銅合金試件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2．2 合金的微觀組織分析

由Cu－Al二元相圖可知，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8．0%～10．0%的鋁青銅合金的熔點(diǎn)大概在1 038℃，在合金凝固時，1 036℃發(fā)生共晶反應(yīng)L→α＋β，565℃發(fā)生共析反應(yīng)β→α＋γ2。由于此實(shí)驗利用的是激光淬火技術(shù)，激光淬火的主要特點(diǎn)是冷卻速度快，因此在實(shí)際熱處理中一部分β相來不及發(fā)生共析反應(yīng)，而是發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變反應(yīng)生成β′相。其中，α相是鋁溶于銅中的固溶體，為面心立方晶格，具有良好的塑性；β相是以電子化合物AlCu3為基的固溶體，僅在高溫下存在，為體心立方晶格，具有較高的強(qiáng)度和塑性；β′相是β相的同素異構(gòu)體，為斜方晶格；γ2相是以電子化合物Al4Cu9為基的固溶體，為體心立方晶格，是合金中的硬脆相；K相是Fe3Al、FeAl等富鐵相。

圖1為激光熱處理前、后試件的微觀組織圖。其中，灰白色塊狀相為α相，灰色相為β′相，黑色點(diǎn)狀與塊狀相為（α＋γ2）共析體和 K相，且β′相和（α＋γ2）共析體中析出的黑色點(diǎn)狀相也為K相。通過圖1（a）和圖1（b）比較后發(fā)現(xiàn)，激光熱處理后生成了白色針狀相，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)白色針狀相沿β′相均勻分布。圖2為對新生成相分別進(jìn)行掃描電子顯微鏡背散射電子成像分析和能譜分析的結(jié)果。圖2（a）表明此區(qū)域相的分子質(zhì)量和β′相相近，都顯黑色。

圖1 激光熱處理前、后試件的微觀組織圖

圖2 新生相掃描電子顯微鏡背散射電子成像分析和能譜分析結(jié)果

結(jié)合實(shí)驗結(jié)果并查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，白色針狀相為從β′相晶界上析出的含F(xiàn)e量為4%的γ2相沿著β′相一定晶界呈針狀析出。綜合分析發(fā)現(xiàn)由于激光熱處理具有快速冷卻的特點(diǎn)，因此在冷卻過程中β相發(fā)生共析反應(yīng)不完全，從而造成γ2相沿著β′相一定晶界呈針狀析出。

圖3為試件激光熱處理后組織中的雜質(zhì)分析。圖3（a）中明顯地看到組織中有一區(qū)域分布著較粗大的塊狀相，且分布區(qū)域較為集中，結(jié)合圖3（b）可知，其組織主要含有Al和O，少量的C和Cu及微量的N、Si和S，屬于在鑄造鋁青銅合金過程中的氧化夾雜。

圖3 試件激光熱處理后組織中的雜質(zhì)分析

2．3 分析試件組織含量

圖4為利用Image－Pro Plus 7．0圖像處理軟件分析試件基體的組成相在合金中含量的處理結(jié)果。其中，α相呈灰白色、β′相呈灰色、γ2相呈白色、（α＋γ2）相和K相呈黑色。

圖4 試件基體的組成相在合金中含量的處理結(jié)果

利用Image－Pro Plus 7．0軟件計算得出的合金中各物相所占的比例見表2。

表2 合金IPP分析結(jié)果

2．4 激光熱處理前、后組織的比較

圖5為激光處理后組織和原始組織的比較。圖5中虛線為原始組織與淬硬層的分界線，虛線的左邊為原始組織，右邊為激光熱處理后的淬硬層組織。通過掃描電子顯微鏡、能譜儀和IPP軟件分析可知，激光熱處理后組織比原始組織α相、β′相、強(qiáng)化相K相以及共析反應(yīng)生成的（α＋γ2）共析體呈更均勻地分布，且比較后發(fā)現(xiàn)原始組織中的粗大K相、類馬氏體相等在激光熱處理后消失，這也是激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)。激光熱處理后生成的白色針狀γ2相沿β′相均勻分布。比較激光熱處理區(qū)域和未處理區(qū)域后發(fā)現(xiàn)，激光熱處理對合金晶粒細(xì)化作用非常明顯。

圖5 激光熱處理之后組織與原始組織的比較

2．5 合金的硬度分析

激光熱處理前在試件不同位置測量3點(diǎn)硬度，然后對試樣的3個點(diǎn)硬度取平均值代表試樣激光熱處理前的硬度值；同理激光熱處理后也進(jìn)行相應(yīng)處理，得到試樣熱處理后的硬度值。合金試樣的顯微硬度值比較見表3。

表3 合金試樣的顯微硬度值比較

由表3可知，試樣激光熱處理前、后硬度變化明顯，激光熱處理后合金硬度比熱處理前硬度提高了76 HV。分析試樣組織結(jié)構(gòu)和物相發(fā)現(xiàn)：激光熱處理后試樣的主量相為α相，占總量的60．5%；次量相β′相占總量的24．4%，γ2相占總量的10．3%；微量相為（α＋γ2）相和K相，占總量的3．1%。比較激光熱處理前、后發(fā)現(xiàn)，激光熱處理后α相減少，生成的β′相增加，并從β′相晶界中析出含F(xiàn)e為4%的γ2相，它沿著β′相一定晶界呈白色針狀析出。這種γ2相是激光熱處理后生成的新相，大大地增加了試樣的硬度。

除硬度指標(biāo)外，其他力學(xué)性能指標(biāo)也是衡量材料綜合性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。在對試件的組織結(jié)構(gòu)和物相分析中，比較了試樣在激光熱處理前、后合金組織晶粒的大小，分析后發(fā)現(xiàn)激光熱處理對試樣細(xì)化晶粒作用非常明顯，而晶粒細(xì)化可作為衡量材料耐磨性是否提高的一個標(biāo)準(zhǔn)。在試樣熱處理前、后比較中還發(fā)現(xiàn)合金的雜質(zhì)相在激光熱處理后大量地消失并溶解在基體中。所以可以得出結(jié)論：激光處理后，鋁青銅合金的耐磨性能增加。

3 結(jié)論

（1）激光熱處理對鋁青銅合金細(xì)化晶粒的效果非常明顯，大大地增加了合金的耐磨性。

（2）試樣在激光熱處理后有大量針狀γ2相生成，試樣在激光熱處理后的硬度也大幅提高。

（3）激光熱處理后試樣各相非常均勻地分布在基體中，合金中的雜質(zhì)相也能很好地溶解，合金的綜合性能得到了較大的提高。

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