淬火水溫對Al-Cu合金組織性能的影響

蘇 陽，郜均虎，丁佐軍，胡劍偉，吳佳慧

（無錫派克新材料科技股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

在眾多鋁合金中，以Al-Cu-Mg為代表的2000系高強輕質鋁合金具有密度小、比強度高、熱強性好、耐腐蝕、加工性能好、易被回收以及可熱處理強化等特點，廣泛應用于航空航天[1]、國防軍事[2]和人們日常生活生產中。Al-Cu合金是一種典型的鋁合金，具有良好的高低溫力學性能、斷裂韌性、抗應力腐蝕性及焊接性能。其工作溫度為-270～300℃，其材料品種有板、管、棒、型、線材與鍛件，主要用在航天航空領域[3]。

溫度和不同時間淬火后再進行塑性變形對Al-Cu合金穩定變形壓力有一定影響[4]，故選擇合適的淬火溫度和時間對保證合金穩定性具有重要作用。Al-Cu合金環鍛件鍛軋成形時，工件尺寸較大，變形不均勻，固溶后的淬火水溫不合理會導致工件淬裂或軸向和徑向會塑性不達標。因此，急需從對大尺寸Al-Cu合金的淬火水溫進行研究，從而得到較優的力學性能[1]。

1 實驗材料及方法

本文所用材料為工業輾制成形Ф950mm/Ф775 mm×160 mm的Al-Cu合金環軋件，其化學成分（質量分數，%）組 成 為Al-6.23 Cu-0.24 Mn-0.14 Fe-0.1mg，合金化學成分符合GJB 2057標準。將工業輾制成形的尺寸為Ф950mm/Ф775 mm×160 mm鋁合金環鍛件，沿圓周方向進行20等分，取其中4塊，均在535℃溫度下固溶3.5h，然后分別在25℃、35℃、45℃、55℃水中淬火，其中淬火轉移時間不超過10s，固溶與時效之間的時間間隔為1h。最后在電熱恒溫鼓風干燥箱中時效18h，空冷。

通過金相組織分析和拉伸性能測試探究淬火水溫對Al-Cu合金組織性能的影響。根據GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》用線切割切取力學性能測試試樣，并在CMT-5105型萬能試驗機測定合金的拉伸性能，所有力學性能均取3個試樣的平均值，在Zeiss金相顯微鏡上觀察合金的微觀組織。

2 實驗結果與討論

2.1 淬火水溫對材料微觀組織的影響

將Al-Cu合金試塊在535℃溫度下固溶3.5h，分別在不同水溫中淬火，并在干燥箱中時效18h，其金相顯微組織如圖1所示。由圖可知，淬火水溫對Al-Cu合金固溶后的晶粒組織大小有較明顯的影響，隨著淬火水溫的提高，晶粒大小總體呈現長大趨勢。試樣固溶后經55℃水溫淬火冷卻后所得到的晶粒組織最大，經35℃水溫淬火冷卻后所得到的晶粒組織最小。

在固溶溫度和保溫時間相同時，隨著淬火介質溫度的升高，晶粒增大，介質的冷卻速度越快，晶粒越細小。這是因為在再結晶過程中，冷卻速度越快，形核所需要達到的過冷度越易達到，形核越多，故晶粒越細小。

2.2 淬火水溫對材料力學性能的影響

圖1 不同淬火水溫下Al-Cu合金的金相組織

在熱處理后的4塊試塊上用線切割沿切向分別掏取3個Ф16×160的圓形試棒，并車削成標準拉伸試樣，測定不同淬火水溫對其力學性能的影響，其結果如圖2所示。由圖可知，在試驗范圍內，隨著淬火水溫的升高，抗拉強度和屈服強度先升后降，而延伸率呈下降趨勢。當水溫為25℃時，材料的綜合力學性能最好，當水溫為35℃時，材料的強度最高。

圖2 不同淬火水溫下Al-Cu合金的力學性能

當試樣在535℃溫度下固溶3.5h后，合金元素已充分的溶入到基體中，固溶體的過飽和程度較大，固溶體均勻，淬火時，在冷卻至室溫的過程中，水溫不同，冷卻速度不同，從過飽和固溶體中析出的第二相數目不同，從而導致人工時效時的強化效果不同。此外，淬火水溫越低，其晶粒組織越細小，晶界增多，從而起到細晶強化的效果。

考慮實際生產中工件的形狀與尺寸，鍛件在水中淬火急冷會產生很大的殘余應力，易導致工件的變形與開裂，但淬火水溫過高也會導致晶間腐蝕傾向和橫向伸長率下降等現象[6,7]。所以，綜合考慮最佳的淬火水溫不低于35℃。

3 結論

（1）隨著淬火水溫的升高，合金的強度先升高后降低，而塑性逐漸降低；淬火水溫對合金固溶后的晶粒大小有較大影響，晶粒隨淬火水溫的升高呈現長大趨勢。

（2）考慮到企業實際生產，較佳的淬火水溫應不低于35℃。