QAL10-4-4熱處理制度的優化

程慧明

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000）

某國外引進裝備的關鍵零件由國產化材料鋁青銅QALl0—4—4制造，其設計圖樣要求為HB=170～220，由于其設計材料購買困難，不能使用原設計材料制造，使用GB/T1528-1997QALl0-4-4R材料制造，實際生產中按規定的工藝參數熱處理后硬度為HB=228～269，不符合“HB=160～230”的技術要求。為此，我們對QALl0-4-4鋁青銅棒材的生產工藝進行了一系列的生產試驗研究，以達到設計技術要求。

1 試驗材料和設備

材料牌號為QALl0—4—4，材料執行標準為：GB/T1528-1997，材料狀態為R（擠制），材料規格為G95×22.5×70，試驗材料的進廠檢查驗收均符合標準規定。布氏硬度檢查設備為HB-3000B，淬火、回火用設備分別為YRX3-55-9、YRX3-45-7，金相顯微鏡為PMG3-613U。

2 試驗工藝

生產試驗過程中應符合生產實際，故需嚴格按標準規定的試驗參數進行試生產驗證，應遵循HB/Z216-92《銅及銅合金熱處理工藝說明書》要求進行熱處理，熱處理制度為：固溶：（900～950）℃，保溫60min～120min，時效；回火：（550～650）℃，保溫60min～120min，空冷，HB=190～240。

為探討固溶溫度與固溶后硬度的關系，分別在900℃和950℃對試樣進行固溶后(保溫時間均為2h)，在分別在550℃、580℃、610℃、650℃時效2h，試驗過程及結果見表1。

表1 試驗結果

4 550 120 262 5 600 120 255 6 650 120 235 950 120

3 試驗結果與分析

QALl0-4-4為鋁青銅合金，其耐磨耐蝕性能使得其在裝備中為數不多的銅合金材料中占有重要位置。QALl0-4-4材料的組織主要由α、β′、k相構成。在構成復雜鋁青銅合金組織的各種物相中，α相的塑性好，而硬度低；β′馬氏體相的硬度比α相高，但塑性較差；k相為一系列金屬間化合物，包括Fe3Al、FeAl和NiAl等，硬度最高。上述物相的體積分數、形態和尺寸是影響合金力學性能的主要因素。

由表1可知，在熱處理標準制度范圍內進行不同的固溶時效工藝進行處理后，對試樣進行了硬度檢驗，其結果均達不到設計圖樣要求。

（1）由表1可以看出，固溶溫度越高，固溶后材料的硬度越高。隨著固溶溫度的提升，K相金屬件化合物（AlFeNi）溶入基體就越多，使得基體合金元素含量就越多，冷卻時K相從α相及β相中析出，產生沉淀硬化，具有較高的強度和硬度，從而提高了材料的強度、硬度。當固溶溫度較低時，由于大量的α相及β相殘留，使基體中合金元素含量減少，生成較多的α相，不利于最后的強化[1]，由于α相及β相殘留及分布不均勻或過飽和固溶體分解不均勻，引起電化學不均勻，從而促使晶界發生晶間腐蝕損傷，對該零件的腐蝕性能有不利影響。

（2）由表1可知，固溶溫度越高，固溶后材料的硬度越高，故降低固溶溫度可降低鋁青銅固溶時效后的硬度；隨著時效溫度的升高，材料的硬度在逐步的降低。

4 驗證方案的確認、實施和分析

4.1 驗證方案的確認、實施

（1）根據表1的結果和航標規定的熱處理制造，固溶溫度選定為900℃，固溶保溫時間為120min，時效溫度從660℃，以10℃增幅進行試驗，時效保溫時間為120min，直至布氏硬度達到HB=170～220。金相圖片見圖1。

圖1 900℃固溶，700℃時效的金相組織

（2）根據表1的結果和航標規定的熱處理制造，固溶溫度從890℃開始，以10℃幅度進行遞減試驗，固溶保溫時間為120min，時效溫度為650℃，時效保溫時間為120min，直至布氏硬度達到HB=170～220。

（3）采用原材料直接從650℃開始，以10℃的增幅進行試驗，直至布氏硬度達到HB=170～220，試驗結果見表2。

表2 驗證試驗結果

4.2 驗證方案分析

（1）根據驗證方案1的方法，將時效溫度提升至700℃，其硬度符合設計圖樣要求。QAL10-4-4的硬度主要是基體硬度、合金元素的固溶強化和析出相K相的析出強化。當時效溫度低于馬氏體轉變文圖450℃時，合金的基體為馬氏體組織，本身具有很高的硬度，且在時效過程中K相持續析出，彌散分布于基體組織上，對合金整體有彌散強化作用，導致合金的硬度進一步增加。當時效溫度高與馬氏體轉變溫度時，硬質馬氏體轉變為α相軟集體，同時隨著時效溫度的增加，K相雖然也有析出，減弱K相的彌散強化作用，進一步降低合金的硬度[2]。

（2）根據驗證方案1的方法，將固溶溫度降低至850℃，其硬度符合設計圖樣要求。如合金的固溶溫度過低，其第二相不能充分固溶入基體中，而且溶質分布不均勻，不僅會降低材料的硬化能力，還會在時效時容易防守不連續脫溶和晶界反應，從而惡化材料的性能。

5 結論

由于設計圖樣為國外引進技術文件，其使用的材料均為原設計材料，原材料國產化時，其材料成分與原設計材料在材料成分及質量分數方面均有一定差異，故使用國產材料及標準無法達到原圖樣設計要求。由于固溶溫度的降低，導致其第二項不能充分溶入基體中，且會對K相析出有一定影響，綜合以上分析，QAL10-4-4鋁青銅需達到圖樣設計HB=170～220要求，應選擇固溶溫度為900℃，固溶保溫120min，水冷，時效溫度為700℃，時效保溫時間120min，空冷。