C5M4鋁鎂合金鑄件熱處理工藝探索

韓明濤　易天平　許松桔

摘要：高鐵牽引電機傳動端蓋和非傳動端蓋的材料為C5M4T6鑄造鋁鎂合金。國內科技文獻關于C5M4材料相關報道很少，株洲聯誠集團有限責任公司在高鐵牽引電機傳動端蓋和非傳動端蓋的國產化研發過程中，對鑄件的熱處理工藝進行了大量的試驗，總結得出C5M4材料最佳的熱處理工藝，并應用于批量生產，產品質量穩定，取得了較好的效果。

關鍵詞：C5M4鋁鎂合金；熱處理；固溶溫度；固溶時間；力學性能 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG242 文章編號：1009-2374（2015）21-0082-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.041

1 C5M4材料化學成分及機械性能要求

與鋁合金AC7A相比，C5M4抗拉強度與延伸率均有一定提高（砂型鑄造AC7A抗拉強度≥140MPa，延伸率≥6%），C5M4主要強化相為Al8Mg5和Al2Cu強化相，與鎂元素的含量相比，銅元素的含量差一個數量等級，故本文對Al2Cu強化相不做更多討論。

2 C5M4鑄態組織

鋁-鎂二元相圖如圖1所示，鎂在鋁中最小溶解度為1.9%，最大溶解度為17.4%。富鎂部分鋁和鎂形成β（Al8Mg5）相，在450℃發生共晶反應L→α+β。C5M4含鎂量為3.5～4.5%，根據鋁-鎂相圖，組織轉變為L→α+L→α→α+β。合金α液態冷卻至T1（約650℃）時，開始從L相中析出α相，直至T2（約580℃）時，L相全部轉化為α相；T2～T3（約250℃）間，合金為單一α相，隨溫度下降組織不發生變化；溫度下降至T3以下時，從α相析出相，直至室溫組織為α相、β相兩相共存。

圖2為C5M4鑄態組織，基體為α固溶體，質點相為Al8Mg5，均勻分布在α基體中，沿晶界有聚集現象。Al8Mg5是脆性化合物，會降低合金的力學性能，并且Al8Mg5電極電位低，抗電化學腐蝕性較差，需要通過熱處理，使Al8Mg5相完全溶入基體，使合金呈過飽和狀態，得到固溶強化效果，提高合金力學性能、抗蝕性能。

3 C5M4鋁鎂合金鑄件熱處理工藝試驗

參照鋁硅合金和鋁鎂合金的處理工藝，我們初步制訂C5M4T6熱處理工藝如下：

3.1 實驗方法

實驗采用同一批次砂型鑄造標準鋁合金試棒，在SSXF-5-12A爐中按照不同熱處理工藝進行熱處理，然后在UTM5305拉伸試驗機上進行拉伸實驗，并磨制金相試樣，在4XC金相顯微鏡下觀察金相組織。

3.2 實驗結果

3.3 實驗分析

3.3.1 T6熱處理對C5M4組織和性能的影響。圖3為C5M4經過T6熱處理（固溶530℃×4h水淬，時效200℃×4h空冷）后的金相組織，Al8Mg5相固溶入基體，數量減少，殘留相體積也較小，晶界處黑色塊狀為Mg2Si。C5M4加熱至530℃時形成單相α固溶體，溫度下降至T3以下時，析出β相，由于鎂和鋁原子的擴散速度慢，冷速稍快就能抑制β相的析出，在室溫時得到過飽和單相固溶體。過飽和固溶體有自發分解的傾向，分解過程叫脫溶。單一α相抗腐蝕性較好，通過熱處理，即便有β相殘留，在電化學腐蝕中β相電極電位更低，不斷被腐蝕，最后仍為單一α相，使腐蝕終止。

在金相制備過程中，鑄態試樣在0.5%氫氟酸水溶液腐蝕下，20min左右能顯示出晶界，而經過T6熱處理后，需要40min以上才能顯示出清晰晶界，也從側面說明了：（1）T6熱處理后合金抗腐蝕性能有較大提高；（2）晶界處聚集的α相大部分固溶進入了α相。

3.3.2 固溶溫度過高對組織和力學性能的影響。比較編號20141014、20141015、20141016、20141017，可以看出，在固溶時間、時效溫度與時間不變的情況下，合金的機械性能隨固溶溫度的上升而上升，在530℃附近達到峰值，隨后隨著溫度上升機械性能下降，在590℃時試棒接近熔點，局部發生熔化，已無法進行機械性能試驗，固溶溫度高于560℃時，抗拉強度和屈服強度均開始下降。

在實際生產過程中，如果加熱爐爐溫不均勻，局部區域溫度過高，很容易發生產品機械性能不合格的現象。我們將試樣20141016和試樣20141017在金相顯微鏡下觀察，明顯發現了過燒組織，金相圖片如圖4所示：

相比于試樣20141016，試樣20141017經過590℃固溶處理后過燒組織更為明顯，大部分晶界出現三角復熔，β（Al8Mg5）質點相更少，試棒表皮出現褶皺，試棒部分出現熔化，力學性能嚴重惡化。

3.3.3 固溶時間過長對組織和力學性能的影響。對比編號20141015、20141020、20141021、20141022，在固溶溫度、時效溫度與時間不變的情況下，合金的強度隨固溶時間的上升而上升，在4h后上升趨于平緩，保溫8h后合金強度明顯下降。固溶時間相較于固溶溫度對試棒力學性能的影響較小，在固溶時間超過8h后，試棒的抗拉強度和屈服強度開始下降，觀察試樣20141022，金相組織有輕微的過燒特征。

3.3.4 時效時間過長對組織和力學性能的影響。對比編號20141015、20141023、20141024、20141027，在固溶溫度與時間不變的情況下，隨著時效時間的增加合金的抗拉強度和屈服強度緩慢上升，延伸率緩慢下降，在時效超過4小時后，強度和延伸率基本變化不大。

從表3中可以看出，時效時間過長不會導致合金力學性能明顯下降，金相組織也沒有出現過燒特征。

4 結論

（1）C5M4鑄態組織為α固溶體基體和Al8Mg5相質點，通過固溶處理人工時效，使Al8Mg5溶入基體，得到固溶強化效果，提高合金力學性能、抗蝕性能。

（2）過燒會使組織出現復熔球和三角復熔晶界，嚴重影響合金的力學性能。

（3）C5M4材料固溶處理的溫度相比較于固溶處理的時間對材料的力學性能影響更大，實際生產中熱處理爐跑溫或爐溫不均勻同樣對產品材質性能影響很大。C5M4的最佳固溶處理溫度為530℃～540℃；最佳固溶時間為4～6小時；時效溫度200℃±5℃，其熱處理的性價比最佳。

參考文獻

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作者簡介：韓明濤（1966-），女，湖南瀏陽人，株洲聯誠集團有限責任公司工程師，研究方向：鑄造技術。

（責任編輯：秦遜玉）