铝合金最佳固溶时效强化工艺参数的研究Word文件下载.docx

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通过制备-Al-Si-Cu-Mg-Mn合金试样—合金的熔炼—合金的固溶时效处理—金相显微组织分析—机械性能测定，对所得数据和金相组织图分析得出最佳的铝合金固溶与时效温度及热处理工艺参数。

结果表明,该合金具有显著的时效强化特性,经固溶510℃×

6h淬火+时效170℃×

7h工艺处理后,合金的硬度达271HB。

关键词：

-Al-Si-Cu-Mg-Mn合金;

固溶时效;

布氏硬度;

中间合金;

金相组织。

Abstract:

throughthepreparation-Al-Si-Cu-Mg-alloysmelting--Mnalloyspecimenofalloysolidsolutionagingtreatment,metallographicmicrostructureanalysis,mechanicalpropertytesting,microstructureoftheobtaineddataanddiagramanalysisitisconcludedthatthebestaluminiumalloysolidsolutionandagingtemperatureandheattreatmentprocessparameters.Resultsshowthatthealloyhassignificantlimitation,strengtheningthesolidsolutionquenchingandaging170℃510℃x6hx7hafterprocessing,thehardnessofalloy271hb.

Keywords:

-Al-Si-Cu-Mg-Mnalloy;

Solidsolutionaging;

Brinellhardness;

Intermediatealloy;

Themicrostructure.

一、综述

近年来，在Al-Cu及Al-Zn-Mg系中发展出了高强度铸造合金，这些合金在室温下具有高的强度和延伸率的数值，但是这些合金存在着铸造性能不好，高温性能差的缺点，因此研究具有高强度、良好流动性和优良铸造性同时具备良好的低膨胀系数，优良抗腐蚀性能的铝合金就有着重要的现实意义。

于是提供一种具有优异的铸造性能和高强度的Al-Si-Cu-Mg-Mn铝合金的研究就产生了。

下面就Al-Si-Cu-Mg-Mn合金最佳固溶时效强化的参数进行了研究，共分为四组，每组有五个试样，共进行了20组不同温度下的实验，来探索Al-Si-Cu-Mg-Mn合金最

佳固溶时效强化工艺参数。

二、实验

1、实验目的：

通过Al—Si－Cu－Mg－Mn的成分配制—合金的熔炼—合金的固溶时效—显微组织分析—机械性能测定，最终测得最佳的铝合金固溶与时效温度及热处理时间的工艺参数。

2、原理概述：

从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚焦区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。

具有这种转变的最基本条件是，合金在平衡状态图上有固溶度的变化，并且固溶度随温度降低而减少，如图1所示。

如果将C0成分的合金自A单相α固溶体状态缓慢冷却到固溶度线（MN）以下温度（如T3）保温时，β相将从α相中脱溶析出，α相的成分将沿固溶度线变化为平衡浓度C1，这种变化可表示为：

α（C0）→α（C1）＋β。

β为平衡相，可以是端际固溶体，也可以是中间相，反应产物为（α＋β）双相组织，将这种双相组织加热到固溶度线以上某一温度，（如T1）保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体α相，这种处理称为固溶处理。

图1固溶处理与时效处理的工艺过程示意图

若将经过固溶处理的C0成分合金急冷，抑制α相分解，则在室温下获得亚稳的过饱和α相固溶体。

这种过饱和固溶体在室温或在较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶，但脱溶往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚焦区。

这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为沉淀强化或时效强化，是强化合金材料的重要途径之一。

固溶加时效是提高合金强度的一种重要途径，它不同于钢材的强化，钢在淬火后可立即获得很高的硬度和强度。

铝合金淬火后，硬度和强度并不立即升高，但塑性较高，但把这种淬火后的铝合金放置一些时间（4～6天）后，强度和硬度显著提高，而塑性明显降低。

人们把淬火后的铝合金性能随时间而发生显著提高的现象称为时效。

时效可以在室温发生，也可以在高于室温的某一温度范围（100～200℃）内发生。

前者称自然时效，后者称人工时效。

本实验采用Al—Si－Cu－Mg－Mn进行温时效，在不同的温度下等温，然后测定合金的硬度，绘制时效硬化曲线。

Al—Si－Cu－Mg－Mn系合金经熔炼，金属模铸造，固溶时效处理后，合金强度为460～500MPa，同时还具有良好的流动性和优良的铸造性能。

本合金基本成分为9.5％Si、4%Cu、0.5%Mg、0.5％Mn，由于这种合金不像Al－Cu及Al—Zn－Cu高强度铸造铝合金那样受到热裂的影响，且合金含有硅，具有良好的充填能力和流动性，因而能够生产复杂结构的铸件。

合金中的铜主要是提高合金的强度，镁提供时效硬化，而锰提高合金的高温性能。

这种合金比SAE323耐热合金在高温下具有更高的强度，以及较低的膨胀系数，优良的铸造性能，优良的抗腐蚀性能，这些优点既适合于高强度，同时也适合于高温下应用。

这种合金用于工作条件严格的汽缸、活塞和汽缸头，同时也被用于经表面处理的整体汽缸材料。

它的低生产成本，较好的机械性能、铸造性能，使其在广阔的领域中得到应用。

近年来，在Al-Cu及Al-Zn-Mg系中发展了高强度铸造合金，这些合金在室温下具有高的强度和延伸率的数值，但是这些合金存在则着铸造性能不好，高温性能查的缺点，因此提供优异的铸造性能以及高强度的一种Al-Si-Cu-Mg-Mn合金的研究就产生了。

3、实验步骤

（一）合金的制备：

1.合金成分的设计：

该合金采用普通工业0号纯铝、纯镁、铝-硅、铝-铜、铝-锰中间合金纯金属整体的成分制备出含9.5％Si、4%Cu、0.5%Mg、0.5％Mn其余为Al的合金。

2.所有与铝合金接触的铁质工具等均刷上涂料。

涂料成分为：

15％滑石粉、3%水玻璃、82％水。

石墨坩锅、金属铸型应涂刷上85％滑石粉、10％水玻璃、5％水配成的涂料，并且在200℃的炉中烘干备用。

3.将坩锅电炉升温，并将Al及Al－Si、Al－Cu、Al－Mn合金加入到坩锅中，将炉温升温到760℃左右，待合金全部熔化后，用钟罩将镁条压入液态合金中，并进行搅拌。

为减少合金对氢气的吸收合金还要进行除气操作。

用2％的六氯乙烷除气，方法是用金属钟罩将六氯乙烷压入合金底部。

扒渣静置后，在740℃将液态合金浇注到金属模型中，冷却后制成试样备用。

（二）合金的固溶与时效：

本实验的固溶加热温度及保温时间和人工时效的时效温度与时效时间由同学们自己设定，根据同学们自己设定的一系列不同的固溶时效工艺参数的结果，进行金相显微组织分析和力学性能测试，分析找出最佳固溶时效工艺参数，

4、实验设备及材料

熔炼炉，金相显微镜，硬度计，读数显微镜，切割机，抛光机，热电偶，石墨坩锅，纯铝及铝合金等。

5、实验方法

（1）合金成分的制备

采用形成中间合金的办法配制：

该合金采用普通工业0号纯铝、纯镁、铝-硅、铝-铜、铝-锰中间合金纯金属整体的成分制备出含9.5%Si、4%Cu、0.5%Mg、0.5%Mn，其余为Al的合金。

中间合金

Al-Cu

Al-Si

Al-Mn

成分比例

50%-50%

80%-20%

90%-10%

（摘自：

《铝合金熔炼与铸造》和《简明铝合金手册》）

配置1000g实验材料：

由表2可计算475gAl-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。

所有与铝合金接触的铁质工具等均刷上涂料。

15%滑石粉、3%水玻璃、82%水。

石墨坩埚、金属铸型应涂刷上85%滑石粉、10%水玻璃、5%水配成的涂料，并且在200摄氏度的炉中烘干备用。

（2）铝合金的熔炼工艺

制备时将坩埚电炉升温，并将Al及Al-Si、Al-Cu、Al-Mn合金加入到坩埚中，将炉温升温到760摄氏度左右，待合金全部熔化，去表面杂质，用钟罩将Mg条压入液态合金中，并进行搅拌。

同时进行除气操作减少合金对氢气的吸收，即用金属钟罩将2%的六氯乙烷压入合金底部。

扒渣后静置，在740摄氏度将液态合金浇注到金属模型中，冷却后制成试样备用。

（3）合金的固溶时效：

本实验从金属材料上，截取20个大小相差不大的试样，每5个试样分为一组，共有四组，每组每个试样的试验条件如表三所示：

合金固溶时效工艺设定

1

铸态（不做任何处理）

固溶处理

固溶490℃×

6h+时效160℃×

7h

6h+时效170℃×

6h+时效180℃×

2

固溶500℃×

3

固溶510℃×

4

固溶520℃×

（3）合金的性能测定

根据表三进行固溶或者固溶时效处理后，测定试样的布氏硬度。

在制备和测试的时候应当注意如下两点：

1.测量布氏硬度时，必须磨平，若有毛坯测量出的硬度会不准确。

然后在布氏硬度试验机上进行布氏硬度测量。

然后在读数显微镜下读出压痕的直径，根据压痕直径和实验规范查出布氏硬度数值表，得出试样的布氏硬度值。

记录数据见表四。

2.一定温度下固溶处理后，淬火时，注意淬火过程操作，淬火时给予铸件的冷却速度越大，使固溶体自高温状态保存下来的过饱和度也越高，从而使铸件获得高的力学性能，但同时所形成的内应力也越大，使铸件变形的可能性也越大。

（4）金相试样制作与观察

（1）.首先用粗砂纸进行单向磨削，磨到试样上只有一个方向的磨痕就可以了。

（2）.冲洗干净，换小一号的细砂纸，垂直刚才磨削方向进行磨削，直到第一步磨削方向消失。

（3）.冲洗干净，继续更换更小一号砂纸，重复步骤第1、2步，一共进行5道砂纸磨削。

（4）.对磨完用水冲洗干净的试样进行抛光处理，在抛光过程中加入抛光剂。

通过经验可知，被抛光材料越软，抛光纸越细。

铝合金用的是氧化镁做抛光粉。

（5）.此时观察磨削面成镜面，用水冲洗后，用电吹风机进行吹干，然后放入用氢氧化钠进行腐蚀30秒左右，然后用水冲洗干净，再用电吹风机进行吹干。

（6）.将吹干后的试样用镊子拿到金相显微镜下进行观察，不能碰到要观察的那面，试样合格，拿去照相出金相组织图。

三、实验结果分析

按照预定实验方法，获得如下数据：

铸态（不做任何处理）固溶处理固溶+时效160固溶+时效170固溶+时效180

固溶49083.5HB85.HB98.6HB100HB97.2HB

固溶50082.1HB52.1HB97.7HB101HB104HB

固溶51083HB78.7HB111HB114HB101HB

铸态

图111图121图131

此四图为-Si-Cu-Mg-Mn合金铸态状态下的组织形貌。

由图见,铸态组织存在着严重的偏析,第二相几乎是沿着粗大树枝晶边缘生成,且呈针状和小块状。

有表四可知，在固溶温度低于520℃时，铸态铝合金的硬度高于固溶合金试样，而在达到520℃，铸态铝合金的硬度低于固溶合金试样，但是铸态试样硬度总是低于固溶+时效的合金试样。

图141

当固溶温度过低时,第二相不能充分固溶于基体中,而且溶质分布不均匀,不仅会降低材料的沉淀硬化能力合金时效强度取决于位错与脱溶相质点的相互作用。

当运动位错遇到脱溶质点时,在质点周围生成位错环或以切过质点的方式通过脱溶质点的阻碍。

在时效硬化达到某一峰值后,时效时间再延长则硬度值下降,产生过时效。

温度越高,到达过时效阶段就越快。

图2-1固溶490℃图2-2固溶500℃图2-3固溶510℃图2-4固溶520℃

图2-1，图2-2，图2-3和图2-4为Al-Si-Cu-Mg-Mn合金分别经490℃、500℃、510℃和520℃固溶处理后所得到的试样在金相显微镜下的照片。

带有颜色元素的区域每后面一幅图比上幅图上带颜色的元素的区域明显减少，证明有部分为暗红色的元素在固溶处理时又熔化了，又进入了铝合金。

表二中有不同温度固溶处理后Cu2Ni2Al2Si合金的硬度性能变化情况。

由表二可知,为Al-Si-Cu-Mg-Mn合金在520℃固溶处理时,由于溶质原子的固溶强化作用要高于第二相对合金的强化贡献,所以,随着固溶温度的升高,合金的硬度呈上升趋势,520℃时合金的硬度达到最高。

固溶目的是在合金晶粒不长大的前提下尽可能多的使合金的第二相溶入固溶体中,进而为合金的下一步时效作组织准备。

从固溶处理目的来看,520℃是Al-Si-Cu-Mg-Mn合金最佳固溶处理温度。

2.2固溶处理

（1）合金时效强度取决于位错与脱溶相质点的相互作用。

当运动位错遇到脱溶质点时,在质点周围生成位错环或以切过质点的方式通过脱溶质点的阻碍。

在时效硬化达到某一峰值后,时效时间再延长则硬度值下降,产生过时效。

温度越高,到达过时效阶段就越快。

表二中有Al-Si-Cu-Mg-Mn合金分别经490℃、500℃、510℃和520℃固溶处理后,又分别经160℃、170℃和180℃温度时效温度，硬度值出现了一系列的变化。

对于固溶490℃×

6h和固溶510℃×

6h，随着时效温度的不断提高，硬度不断提高，说明时效硬化还没到达其峰值。

对于固溶500℃×

6h，随着时效温度的不断提高，硬度反而下降，说明时效硬化已过时效。

对于固溶520℃×

6h，随着温度的提高，在时效温度170时出现了小幅度降低，但是基本是同固溶490℃×

6h+时效的变化趋势类似但是从数值上来说，其硬度最大值是固溶520℃×

6h+时效180℃×

7h，其硬度值是271HB高于其他的固溶时效工艺参数下的试样。

（2）在对各时效的试样进行金相显微镜的观察，获得如下的图片:

A．固溶490℃×

6h时各时效温度下的试样形貌

图3-11时效160℃×

7h图3-12时效170℃×

7h图3-13时效180℃×

同一个固溶温度下处理，不同的时效温度处理的铝合金比较分析：

图3-11与图3-12相比较，时效析出的元素在图3-12中析出的数量和种类上有所增加，时效弥散程度也增大了，所以由此可以判断图3-12的硬度应该大于图3-11。

类似的如图3-13和图3-12。

B.固溶500℃×

图3-21时效160℃×

7h图3-22时效170℃×

7h图3-23时效180℃×

首先由图3-11和图3-12两个图进行比较可以看出图3-12所示图上带有暗红色元素的区域比起图3-11所示图上带有暗红色元素的区域明显减少，证明有部分为暗红色的元素在固溶处理时又熔化了，又进入了铝合金。

图3-13是180℃时效，此图与图3-11和图3-12相比，时效析出了元素的区域的颜色比图3-11和图3-12上的暗红色区域多而且发黑，说明了时效弥散的程度。

黑度越大，说明了时效弥散越好。

再者图3-22和图3-23与图3-21相比较，图3-22和图3-23时效析出的元素更多，而且在照片上显示非常明显。

但是由于时效温度的升高，大量的元素过多析出称为沉淀相，沉淀相与基体不共格，形成了过时效现象（引用《材料科学基础》），所以可推得其硬度值会相对有所下降，即会使在180℃和170℃时，该合金的硬度相对于160℃时效的合金硬度来说有所下降，即推出图3-21所示合金的硬度大于图3-22和图3-23所示合金的硬度。

C.固溶510℃×

图3-31时效160℃×

7h图3-32时效170℃×

7h图3-33时效180℃×

综上所述,可以看出图3-43所示铝合金的硬度值，无论是从表四数据所反应出的硬度值，还是由金相组织图反应的固溶时效效果，该合金都是最好的，所以图3-43所示铝合金的试验条件即固溶处理工艺固溶520℃×

6h淬火+180℃×

7h是该铝合金的最佳固溶时效强化工艺参数。

四、结论

Al-Si-Cu-Mg-Mn合金为典型时效强化型合金,具有显著的时效强化特性。

合金最佳热处理固溶时效工艺固溶520℃×

7h，经该工艺处理后合金硬度达271HB,第二相时效析出相对充分、颗粒细小、分布均匀。

也就是通过该实验找到了该铝合金的最佳固溶和时效温度，使其综合性能显著提高，从而使在该合金适合于高强度和高温下的应用，例如可将Al-Si-Cu-Mg-Mn合金用于制作工作条件严格的汽缸、活塞和汽缸头，经表面处理的整体汽缸材料等。

五、参考文献

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