淬火介質對ZL114A鋁合金性能、變形和組織的影響

肖遠倫，趙強，黃志偉，寧海青，鄧天泉，孫昌健，趙高瞻

(1.西南技術工程研究所，重慶 400039;2.國防科技工業精密塑性成形技術研究應用中心，重慶 400039)

ZL114A鋁合金具有很高的強度和韌性，良好的流動性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復雜形狀的高強度鑄件，廣泛應用于航空、航天、汽車等領域[1－2]。鋁合金傳統熱處理通常采用的淬火介質為水和油，油的冷卻速度較慢，經常出現淬火硬度不足或淬硬層深度達不到預定要求等現象，而水的冷卻速度較快，容易造成工件的淬火變形，嚴重時會開裂致使工件報廢，淬火過程中汽化產生的氣泡還會致使工件表面冷卻不均出現軟點[3－4]。水溶性淬火介質的冷卻速度介于油和水之間，它克服了水和油的上述弊端，還具有無毒、無有害氣體、無火災危險、不污染環境、成本低廉等優點。

目前液體淬火介質在我國熱處理行業中仍然處于主導地位，如自來水、機油、有機高分子淬火介質等。淬火介質的冷卻性能主要受淬火介質溫度、濃度等因素的影響[5]。文中以水、聚乙烯醇和水溶性聚合物PAG為研究對象，比較它們在500℃ 淬火時的冷卻曲線，分析淬火介質溫度和濃度對淬火介質冷卻能力的影響，對比選擇適合ZL114A鋁合金的淬火介質。優化淬火介質的濃度和溫度因素，研究淬火介質因素對ZL114A鋁合金組織、性能與變形的影響。

1 試驗方法

1.1 冷卻特性曲線的測定

分別選取PAG水溶性聚合物、聚乙烯醇和清水作為冷卻介質。以ZL114A鋁合金為試驗用材[6]，化學成分見表1。使用鄭州科慧KHR-02便攜式淬火介質檢測儀檢測淬火介質的冷卻性能。先配制好淬火介質水溶液，再將加熱到某一溫度的鋁合金試件迅速投入介質溶液中，在淬火介質特性測試儀上用銀探頭(φ16 mm×48 mm)測定鋁合金試樣溫度隨冷卻時間變化的曲線，并繪制出介質在不同使用溫度下的冷卻特性曲線。

表1 ZL114A鋁合金的化學成分Table1 The chemical composition of ZL114A alloy%

1.2 試樣的性能及變形測定

制備6根試桿作性能試樣(如圖1a所示，編號a1—a6)，6個圓環作變形試樣(如圖1b所示，編號b1—b6)，分別對試桿和圓環進行熱處理試驗。工藝參數為:300℃ ×0.5 h+400℃ ×0.5 h+535℃×14 h+180℃ ×6 h，固溶采用RJJ-36-6井式空氣循環電阻爐，淬火時分別在裝有不同溫度和濃度PAG的不銹鋼桶中進行，時效采用SX2-2.5-10型箱式電阻爐。淬火后用游標卡尺檢測變形試樣的變形ΔLi，ΔLi=|Li－ L0|，ΔLi即表示熱處理后尺寸變化量，采用CMT-5105微機控制萬能材料試驗機檢測試桿的抗拉強度Rm。

圖1 ZL114A性能試樣和變形試樣Fig.1 Scheme of ZL114A alloy used for measuring mechanical properties and deformation

2 試驗結果及分析

2.1 PAG、聚乙烯醇和水的冷卻性能

先把鋁合金試樣加熱到535℃，再將其迅速投入淬火介質溶液中，把試樣溫度隨時間變化的曲線記錄下來，即可得到試樣在不同淬火介質中的冷卻特性曲線。PAG、聚乙烯醇和清水在相同溫度下的冷卻特性曲線如圖2所示，發現PAG水溶性聚合物淬火介質在450℃時的冷卻特性與聚乙烯醇十分接近，大大降低了淬火過程中的熱應力;在450～250℃時的冷卻特性與水接近，保證了合金組織的穩定，防止發生組織轉變，而聚乙烯醇的冷卻速度開始下降;在250～200℃時的冷卻速度比聚乙烯醇快，比水慢。

圖2 PAG、聚乙烯醇和水的冷卻曲線Fig.2 Cooling curves of PAG，poly and water

PAG在相同濃度不同溫度下的冷卻特性曲線如圖3所示，淬火介質在淬火過程中物態變化可以分成蒸汽、沸騰和對流等3個階段[7]，如圖4所示。發現PAG在淬火過程中有物態變化，隨介質溫度的升高，介質粘度的增大，汽化困難，蒸汽膜階段增長，推遲泡狀沸騰階段，使最大冷卻速度及其所對應的溫度下降。淬火介質最大冷速的降低伴隨著淬火蒸汽膜時間的延長，說明淬火介質溫度對冷卻能力的影響主要是通過延長蒸汽膜的時間來實現的，隨著水溫的升高，不僅最大冷速降低，特性溫度點也會隨之降低。

圖3 不同溫度的PAG冷卻曲線Fig.3 Cooling curves of PAG at different temperatures during quenching

圖4 淬火介質3階段示意Fig.4 The three phase diagram of quenching medium

PAG在不同濃度和相同溫度下的冷卻特性曲線如圖5所示，發現在淬火過程中，隨著PAG濃度的增加，其最大冷速逐漸降低。主要由于濃度越高，介質粘度越大，氣化困難，蒸汽膜階段延長，冷卻速度降低，說明PAG濃度是影響低溫淬火過程中冷卻速度的主要因素之一。對比圖2和圖3發現，PAG在低溫冷卻過程可以依靠濃度調節其冷卻速度，而水和聚乙烯醇必須依靠改變水溫使淬火過程中產生蒸汽膜來調節冷速，從節能和減小鋁合金變形來看，PAG比水和聚乙烯醇具有更好的效果。

圖5 不同濃度PAG淬火時的冷卻曲線Fig.5 Cooling curves of PAG at different concentrations during quenching

2.2 PAG濃度對試樣性能、變形和組織的影響

將性能和變形試樣分為3組，分別在質量分數為10%，15%和20%的PAG中進行淬火冷卻試驗，介質溫度為40℃，經不同濃度PAG淬火介質淬火后試樣的抗拉強度和變形見表2。發現隨著介質濃度的增加，試樣的抗拉強度逐漸降低，同時變形量逐漸減少。介質濃度的變化將影響合金淬火時的冷卻速率，隨著濃度的逐步增加，冷卻速率逐漸減小，導致試樣抗拉強度降低，變形量減少。

表2 合金在不同濃度的PAG中淬火后的強度和變形Table2 Strength and deformation of alloy quenched in PAG at different concentrations

性能試樣分別在質量分數為10%，15%和20%的PAG中進行淬火試驗后，金相顯微組織如圖6所示?？梢钥闯?，ZL114A鋁合金顯微組織主要由α-Al、共晶 Si、Mg2Si及雜質鐵相等組成[8]。合金試樣在質量分數為10%的介質中淬火后，晶界處共晶硅大部分呈顆粒狀，Mg2Si數量較少;質量分數為15%時，共晶硅呈桿狀或顆粒狀，有少量Mg2Si存在;當質量分數為20%時，共晶硅大部分呈桿狀，有大量Mg2Si存在。不同濃度PAG淬火介質反映的是合金淬火時不同的冷卻速率。合金淬火后，合金形成的是空位和溶質均為過飽和態的固溶體，而溶質原子容易偏聚在晶界附近，因此晶界處Mg和Si含量較高[9]。當淬火冷卻速率比較高時，如質量分數為10%時，沉淀相沒有充足的時間形核析出，因此晶界上很少或基本沒有析出相。隨淬火冷卻速率降低，溶質原子有較充足的時間形核析出并擴散到晶界，沉淀相在晶界析出的數量增加，且沉淀相的尺寸相應增大[10－11]。

圖6 合金在不同濃度的PAG中淬火后的顯微組織Fig.6 Microstructure of alloy quenched in PAG at different concentrations

2.3 PAG溫度對試樣性能、變形和組織的影響

將性能和變形試樣分別在溫度為25，40和55℃的PAG中進行淬火試驗，介質質量分數為15%。經不同溫度PAG淬火介質淬火后試樣的抗拉強度和變形見表3，發現隨著介質溫度的增加，試樣的抗拉強度逐漸降低，同時變形量逐漸減少，介質溫度變化將影響合金淬火時的冷卻速率。隨著溫度的逐步增加，冷卻速率逐漸減小，導致試樣的抗拉強度降低，變形量減少。

表3 合金在不同溫度的PAG中淬火后的強度和變形Table3 Strength and deformation of alloy quenched in PAG at different temperatures

性能試樣分別在溫度為25，40和55℃的PAG中進行淬火試驗后，金相顯微組織如圖7所示。發現合金試樣在溫度為25℃的PAG中淬火后，因冷卻速率較高，Mg2Si沒有足夠的時間形核析出，在晶界上很少或基本沒有Mg2Si存在，共晶硅大部分呈顆粒狀;溫度為40℃時，冷卻速度降低，有少量Mg2Si存在，共晶硅呈桿狀或顆粒狀;溫度為55℃時，冷卻速度大幅降低，有大量Mg2Si存在，共晶硅大部分呈桿狀。

圖7 合金在不同溫度的PAG中淬火后的顯微組織Fig.7 Microstructure of alloy quenched in PAG at different temperatures

3 結語

1)PAG可以通過改變其濃度調節冷卻速度，降低ZL114A鋁合金淬火過程中冷卻能力的影響主要通過延長形成蒸汽膜的時間來實現，相比水和聚乙烯醇具有更好的淬火效果。

2)PAG使用溫度和濃度越低時，淬火后ZL114A鋁合金試樣獲得的強度越高，組織越細小且比較均勻，但變形量卻較大。

3)采用PAG作為ZL114A鋁合金的淬火介質，為使其獲得較好的組織與力學性能，同時保持較少的變形量，PAG的使用溫度應大致控制在40℃，質量分數在15%左右。

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