2000系铝合金端部淬火淬透性研究_张忠宪.pdf

2023年 第5期 热加工46热 处 理Heat Treatment2000系铝合金端部淬火淬透性研究张忠宪哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150060摘要：采用端部淬火方法开展2000系铝合金的淬透性研究，并通过对材料硬度和电导率指标的测试分析，绘出硬度和电导率随端部变化曲线图。研究结果表明：同种合金中合金元素含量越高，固溶体稳定性越低，淬透性也越差。由于Cu是Al-Cu-Mg合金中的主要强化元素，Cu含量的降低将导致力学性能显著下降，因此想要在保持较高力学性能的前提下提高Al-Cu-Mg合金的淬透性，则较为困难。关键词：端部淬火；2000系铝合金；淬透性；固溶体1 序言自发现A1-Cu-Mg合金的时效硬化现象以来，2000系铝合金以其高强度以及良好的耐热性能和抗腐蚀性能广泛应用于航空工业1。该系铝合金淬透性整体较低，而随着材料厚度的增加，尤其是为了减小淬火残余应力而降低冷却强度时，材料中心部位的淬火速率往往达不到所需的临界冷却速率，从而导致性能下降，出现淬不透的现象。因此2000系铝合金厚截面材料的淬透性问题引起了人们广泛的关注。影响铝合金淬火敏感性的因素也是影响其淬透性的因素，主要包括合金的化学成分、制备工艺及微观组织2。其中，主合金元素对淬火敏感性的影响十分显著，如Zn、Mg和Cu含量增加时，通常都会提高合金的淬火敏感性3，4。淬透性的测定及其试验方法源于钢铁热处理5。钢的淬透性的物理意义非常明确，即将测量零件表面向里深入到半马氏体区（即马氏体和屈氏体或其他组织各占50%）的距离作为淬透层深度。铝合金淬火后保留的是过饱和固溶体，其过饱和程度很难用显微镜进行观察和测试6。类似钢取样测量铝合金等温转变C曲线也相当困难。进行大量不同的Cu、Mg比例与含量的淬透性试验可能得不到理想结果，相关2000系合金淬透性研究也较少，因此开展2种成分不同的2000系铝合金端部淬火试验研究，以评估Cu、Mg含量变化对2000系铝合金淬透性的影响，同时收集一定的基础数据。2 试验方案2.1 试样制备选取2种合金制备后加工成26mm250mm圆棒（见图1a），一端端面加工成锥面（见图1b），另一端加工卡槽用于装夹试样（见图1c）。合金化学成分见表1，力学性能见表2。a）圆棒规格b）淬火端锥面 c）夹持端凹槽图1端部淬火试样 表1合金主要化学成分（质量分数）（%）合金牌号CuMg AlCu2.0Mg1.02.01.0AlCu3.8Mg1.23.81.22023年 第5期 热加工47热 处 理Heat Treatment表2合金力学性能合金牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率（%）AlCu2.0Mg1.029241918AlCu3.8Mg1.2367508202.2 端部淬火试验端部淬火试验装置如图2所示。将固溶处理好的试棒迅速从炉中转移到试验机上，并套装保温石棉，以降低试棒周侧温度散失对试验结果的影响。试样装夹好后迅速打开冷却水喷嘴开始淬火，转移过程控制在5s以内。淬火端加工的内锥面可避免因冷却水喷溅到试棒侧壁而影响试验结果。淬火端理论冷却速度约为200/s，随着试样沿轴向距离淬火端越远，该部位的淬火冷却速度也越低。不同的冷却速度产生了不同的组织与性能变化。通过研究试棒心部轴向距淬火端不同距离组织的电导率与硬度变化，即可评估材料的淬火敏感性。高强度。试验对2种2000系合金淬火后距离淬火端5mm、25mm、45mm、65mm、85mm、105mm、125mm、145mm、165mm处剖面中心部位电导率进行测试，每个位置测量3个点，最终结果为该位置3点测量值的平均值。由于轴向切割、抛光试样需要一定时间，因此实际测量所得为淬火后1h的测试数据。试验采用的是SIGMATEST 2.069型电导率测试仪。试样切割状态如图3所示。图2端部淬火试验装置示意图3端部淬火试样剖面图4硬度测试夹具电导率与材料溶质原子存在状态有关，合金原子以固溶态存在时，材料电导率较低，当固溶体分解并以析出相的形式脱溶时，材料的电导率较高。因此，淬火后材料不同位置的电导率可反映不同冷却速度下固溶体的相对含量。若电导率较低，则该部位淬火速度足够使亚稳态的固溶体保存下来；若电导率较高，则该部位冷却速度不足，较多固溶体已发生分解，无法进一步通过时效处理来获得较在电导率测试完毕后，还要对试棒进行48h自然时效处理，测试其硬度沿试棒轴向的变化情况。硬度测试使用维氏硬度计进行检测，测量中心线上距离淬火端面5mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、85mm、95mm与105mm处的硬度，每个位置测量5个点，最终结果为该位置5点测量值的平均值。测试时为了稳定试样姿态，使用专用夹具对试样进行固定，如图4所示。表3电导率随端淬距离变化合金牌号距淬火端的距离/mm525456585105125145165电导率（%IACS）AlCu2.0Mg1.042.242.443.043.944.644.945.245.345.2AlCu3.8Mg1.239.540.140.841.942.643.343.843.944.03 电导率及硬度变化AlCu2.0Mg1.0、AlCu3.8Mg1.2合金电导率随端淬距离变化规律见表3，其变化曲线如图5所示。电2023年 第5期 热加工48热 处 理Heat Treatment导率与材料溶质原子存在状态及原子半径有关，当溶质原子以固溶态存在时将导致晶格发生畸变，降低材料电导率。溶质原子半径与基体合金原子半径差异越大，引起的晶格畸变越大，材料的电导率也越低。当固溶体分解并以析出相的形式脱溶时，材料的晶格畸变降低，电导率也较高。由图5可看出，不同合金在试棒相同位置的电导率随合金元素含量提高而降低，固溶的原子越多，引起的晶格畸变越大，电导率也越低。同时由图5还可看出，距离淬火位置越远，同种材料的电导率也越高。这是因为距离淬火位置越远、冷却速度越慢，固溶体较易发生分解，所以减小了晶格畸变，提高了电导率。将同一试棒不同位置的电导率与淬火端的电导率相比，即可反映不同位置电导率相比淬火端发生的变化。由图 5可知，随着合金元素含量的提高，相同位置电导率的升高也越快，这表明添加Cu、Mg元素后，合金的固溶体稳定性下降，合金元素含量越高，尤其是Cu含量越高，固溶体稳定性就越低。对其不同位置的维氏硬度进行测试，结果见表4，其变化曲线如图6所示。图5电导率随端淬距离变化曲线图6硬度随端淬距离变化曲线表4硬度随端淬距离变化合金牌号距淬火端的距离/mm5152535455565758595105115125135145硬度HVAlCu2.0Mg1.011211111111210910710510310110010099989797AlCu3.8Mg1.2124119122121119114112111108104103104999897由图6可知，同种合金不同位置的硬度随着距离淬火端部越远，硬度越低。这主要是由于距离淬火端部越远，冷却速度越低，在淬火过程中过饱和固溶体无法稳定地存在并通过后续时效处理弥散析出，淬火效果变差，因此硬度降低。将同种合金不同位置的硬度与淬火端部硬度相比，即可反映不同位置硬度相比淬火端发生的变化。由图6可知，在Al-Cu-Mg合金中，随着合金元素含量的提高，硬度随淬火端部距离增大而下降的速度越快，即淬透性越差。AlCu2.0Mg1.0合金保持90%硬度的长度为88mm，AlCu3.8Mg1.2合金为71mm。较大的原子半径差距，使Cu、Mg与Al形成的固溶体更加不稳定，在淬火冷却中需要更快的冷却速度才能将过饱和固溶体保存下来，因而淬透性也越差。由于Cu是Al-Cu-Mg合金中的主要强化元素，Cu含量的降低将导致力学性能显著下降，因此想要在保持较高力学性能的前提下提高Al-Cu-Mg合金的淬透性，则较为困难。4 结束语本文对AlCu2.0Mg1.0合金、AlCu3.8Mg1.2合金进行了端部淬火试验，对其淬透性进行了研究，并得到以下结论。1）同种合金中合金元素含量越高，固溶体稳定2023年 第5期 热加工49热 处 理Heat Treatment甲醇液对淬火油冷却性能的影响分析牛文明1，陆小兵2，吕博豪11.南京科润工业介质股份有限公司 江苏南京 2111002.江苏飞船股份有限公司 江苏泰州 225300摘要：在可控气氛热处理生产过程中，甲醇低温裂解气中未裂解的甲醇对淬火油冷却性能有一定影响。通过案例分析，结合试验验证的方法，探索甲醇通入量和淬火油冷却性能之间的定量关系。结果表明：混入淬火油中甲醇液的增加，会导致低温冷却速度变快，下特性温度降低，同时使得制件的热处理畸变量增大。关键词：热处理；甲醇；淬火油；低温冷却速度；热处理畸变量1 序言为防止热处理氧化脱碳，通常会在网带炉内通入还原性保护气氛（如甲醇丙烷），使炉内碳势气氛与制件表面奥氏体中的碳含量达到动态平衡，从而保证加热过程不发生氧化、脱碳。甲醇作为最常用的载气，一般通入方式分为直生滴注式和低温裂解两种。1）直生滴注式。裂解温度900，裂化不完全充分，在因滴注量过大而来不及分解时，容易产生积炭，从而影响制件外观。2）采用低温裂解机。甲醇在铜基触媒作用下，可在260320低温范围内裂解，获得与高温裂解基本相同的效果。但在使用甲醇低温裂解的生产现场，经常发现工件变形量增大的问题。针对使用甲醇低温裂解装置出现畸变量大的问题，本文重点对油槽中的淬火油冷却性能进行了研究，以期分析出具体原因，确定对应的解决方案。2 甲醇低温裂解原理甲醇在低温裂解机中，与铜基触媒反应，于260320即可裂解，裂解气为CO和H21，2，裂解气直接通入炉内，可回避直生滴注式带来的裂解不充分问题。在实际使用过程中，催化剂的寿命在10个月左右，若不及时再生，活性会逐渐降低，裂解效果会变差，因此需逐渐提高裂解温度来弥补催化剂活性降低带来的影响2-4。若裂解温度一直不改变，则会导致一定量的甲醇仅发生气化，通过管道后直接进入炉内，若在炉内裂解不充分，则会影响工件外观等；当裂解气是从落料口低温段通入时，若此处性越低，淬透性也越差。2）本试验研究对象中，AlCu3.8Mg1.2淬透性最差，保持90%以上硬度的试样长度仅为71mm。3）Cu对淬透性影响最为显著，又是Al-Cu-Mg合金的主要强化元素，想要在保持较高力学性能的前提下提高Al-Cu-Mg合金的淬透性，则较为困难。参考文献：1 徐崇义，李念奎2xxx系铝合金强韧化的研究与发展J轻合金加工技术，2005，33（8）：13-172 刘文军Al-Zn-Mg-Cu铝合金淬火析出行为及淬火敏感性研究D长沙：中南大学，2011.3 欧阳惠 Zn/Mg 比对Al-Zn-Mg-Cu 合金淬火敏感性的影响究D长沙：中南大学，2014.4 王雷Al-9.0Zn-1.5Mg-XCu 合金微结构、力学性能及淬火敏感性研究D长沙：中南大学，2014.5 王国军，熊柏青，张永安，等铝合金的淬透性及其研究方法J轻合金加工技术，2008，36（6）：5-8.6 辜蕾钢铝合金厚板预拉伸及淬透性研究D重庆：重庆大学，200420230130