淬火水温对Al-Cu合金组织性能的影响

苏 阳，郜均虎，丁佐军，胡剑伟，吴佳慧

（无锡派克新材料科技股份有限公司，江苏 无锡 214161）

在众多铝合金中，以Al-Cu-Mg为代表的2000系高强轻质铝合金具有密度小、比强度高、热强性好、耐腐蚀、加工性能好、易被回收以及可热处理强化等特点，广泛应用于航空航天[1]、国防军事[2]和人们日常生活生产中。Al-Cu合金是一种典型的铝合金，具有良好的高低温力学性能、断裂韧性、抗应力腐蚀性及焊接性能。其工作温度为-270～300℃，其材料品种有板、管、棒、型、线材与锻件，主要用在航天航空领域[3]。

温度和不同时间淬火后再进行塑性变形对Al-Cu合金稳定变形压力有一定影响[4]，故选择合适的淬火温度和时间对保证合金稳定性具有重要作用。Al-Cu合金环锻件锻轧成形时，工件尺寸较大，变形不均匀，固溶后的淬火水温不合理会导致工件淬裂或轴向和径向会塑性不达标。因此，急需从对大尺寸Al-Cu合金的淬火水温进行研究，从而得到较优的力学性能[1]。

1 实验材料及方法

本文所用材料为工业辗制成形Ф950mm/Ф775 mm×160 mm的Al-Cu合金环轧件，其化学成分（质量分数，%）组 成 为Al-6.23 Cu-0.24 Mn-0.14 Fe-0.1mg，合金化学成分符合GJB 2057标准。将工业辗制成形的尺寸为Ф950mm/Ф775 mm×160 mm铝合金环锻件，沿圆周方向进行20等分，取其中4块，均在535℃温度下固溶3.5h，然后分别在25℃、35℃、45℃、55℃水中淬火，其中淬火转移时间不超过10s，固溶与时效之间的时间间隔为1h。最后在电热恒温鼓风干燥箱中时效18h，空冷。

通过金相组织分析和拉伸性能测试探究淬火水温对Al-Cu合金组织性能的影响。根据GB/T 228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》用线切割切取力学性能测试试样，并在CMT-5105型万能试验机测定合金的拉伸性能，所有力学性能均取3个试样的平均值，在Zeiss金相显微镜上观察合金的微观组织。

2 实验结果与讨论

2.1 淬火水温对材料微观组织的影响

将Al-Cu合金试块在535℃温度下固溶3.5h，分别在不同水温中淬火，并在干燥箱中时效18h，其金相显微组织如图1所示。由图可知，淬火水温对Al-Cu合金固溶后的晶粒组织大小有较明显的影响，随着淬火水温的提高，晶粒大小总体呈现长大趋势。试样固溶后经55℃水温淬火冷却后所得到的晶粒组织最大，经35℃水温淬火冷却后所得到的晶粒组织最小。

在固溶温度和保温时间相同时，随着淬火介质温度的升高，晶粒增大，介质的冷却速度越快，晶粒越细小。这是因为在再结晶过程中，冷却速度越快，形核所需要达到的过冷度越易达到，形核越多，故晶粒越细小。

2.2 淬火水温对材料力学性能的影响

图1 不同淬火水温下Al-Cu合金的金相组织

在热处理后的4块试块上用线切割沿切向分别掏取3个Ф16×160的圆形试棒，并车削成标准拉伸试样，测定不同淬火水温对其力学性能的影响，其结果如图2所示。由图可知，在试验范围内，随着淬火水温的升高，抗拉强度和屈服强度先升后降，而延伸率呈下降趋势。当水温为25℃时，材料的综合力学性能最好，当水温为35℃时，材料的强度最高。

图2 不同淬火水温下Al-Cu合金的力学性能

当试样在535℃温度下固溶3.5h后，合金元素已充分的溶入到基体中，固溶体的过饱和程度较大，固溶体均匀，淬火时，在冷却至室温的过程中，水温不同，冷却速度不同，从过饱和固溶体中析出的第二相数目不同，从而导致人工时效时的强化效果不同。此外，淬火水温越低，其晶粒组织越细小，晶界增多，从而起到细晶强化的效果。

考虑实际生产中工件的形状与尺寸，锻件在水中淬火急冷会产生很大的残余应力，易导致工件的变形与开裂，但淬火水温过高也会导致晶间腐蚀倾向和横向伸长率下降等现象[6,7]。所以，综合考虑最佳的淬火水温不低于35℃。

3 结论

（1）随着淬火水温的升高，合金的强度先升高后降低，而塑性逐渐降低；淬火水温对合金固溶后的晶粒大小有较大影响，晶粒随淬火水温的升高呈现长大趋势。

（2）考虑到企业实际生产，较佳的淬火水温应不低于35℃。