热处理对新型铝青铜性能的影响

张 健

（沈阳有色金属加工有限公司，辽宁 沈阳 110101）

在模具行业，人们要求模具材料不仅要具有优良的硬度和耐磨性，还需要具有相匹配的导热性。而伴随我国模具业的快速发展，人们需要更多性能优异的模具材料。由于铝青铜合金具有较高的硬度、强度、耐磨性和优良的导热性，同时其铸造性能优良，使得铝青铜成为模具材料的理想材料而获得人们越来越广泛的关注。不锈钢坯料在使用铝青铜模具用于压延和拉伸时，表现出不粘模工件、不易划伤的特性，同时还可提升模具寿命和产品品质。我国近年使用的模具材料主要以铁基材料为主，如NiCr合金、Cr12MoV和Cr12等，但总体来说高端的模具材料还要依赖进口。而研制成功的新型铝青铜合金，不仅能满足客户的使用，还在一定程度上降低成本。本文通过热处理，研究热处理工艺对新型铝青铜性能的影响，找出最佳的热处理工艺，所开展的研究工作对相关的从业者具有参考价值。

1 试验材料与方法

试验利用50Kg的中频气氛保护感应炉进行熔炼制备新型铝青铜合金，其合金的化学成分组成为Cu11.6Al3Ni3Fe1.5Mn0.5Ti，并在铁模中进行浇铸成铸锭，用车床铣掉表面铸造缺陷后，加工成试验所需的试样。热处理试验在箱式电阻炉中进行[1]。

硬度测试采用型号为HBS-3000数显布氏硬度计进行硬度测试，力学性能试验采用Z050 THW型电子万能材料试验机开展试验。能谱扫描则采用日本电子JSM-IT300型扫描电镜进行观察分析[2]。

2 试验结果与分析

2.1 铸态时新型铝青铜合金性能

图1为铸态下新型铝青铜合金的力学性能值，其中抗拉强度为681MPa，延伸率为6.4%，硬度值为285HBW，热扩散系数为9.6mm2/s。其对应的组织和相组成见图2和图3所示。由图可知，合金铸态组织为树枝状的柱状晶，并存在有一定程度的枝晶偏析，通过XRD衍射分析结果，可基本确定新型铝青铜合金的铸态相主要由基体α相、κ相、γ2相和β′相构成。形成枝晶偏析的原因主要在于该铝青铜合金在熔炼过程中，由于冷却强度大，使得γ2相在β相中析出，同时β→α+γ2转变并未来得及完全进行，从而出现了非平衡相。此外，合金中的大部分元素因冷却强度较大，来不及进行相应的扩散反应，从而出现枝晶偏析的情况。

图1 新型铝青铜合金铸态性能指标

图2 新型铸态铝青铜金相和扫描组织

图3 新型铸态铝青铜XRD相成分结果

2.2 固溶处理对新型铝青铜性能影响

试验采用不同的固溶制度来研究其对新型铝青铜合金性能的影响，其固溶温度采取860℃～980℃这一区间范围进行试验，温度间隔为20℃，保温时间均统一2h，然后进行水淬。

图4 不同固溶制度下的硬度值

图5 最佳固溶处理铝青铜XRD相成分结果

图4为不同固溶制度下的硬度值。由图可知，硬度值随着固溶温度的升高，先呈现出增加后下降的态势。主要原因在于，随着固溶温度上升，晶粒逐渐长大，此时κ相慢慢的溶解到基体铜中，使得α相降低，β′相逐渐增加，而α相和β′相两相的硬度中β′相硬度高，从而使得合金硬度值逐渐增加，且到940℃时达到峰值。超过940℃后，由于晶粒发生了明显的长大，晶粒粗化长大造成的软化比析出的β′相导致的硬化高，从而使得合金的硬度降低，可以说940℃×2h的固溶制度是最佳的选择工艺，图5为经过固溶处理后新型铝青铜合金的主要相构成，为α相、κ相和β′相。

2.3 时效处理对新型铝青铜性能影响

试验采用不同的时效制度来研究其对新型铝青铜合金性能的影响，其时效温度采取460℃～580℃这一区间范围进行试验，温度间隔为20℃，保温时间均统一4h。图6为不同时效制度下的硬度值。由图可知，随着时效温度的上升，硬度先升高后下降，并逐渐趋于平缓下将的态势。主要原因在于温度较低时，合金中析出的κ相减少，起不到强化的效果，随着温度上升，κ相析出增大且均匀分布在基体中，到500℃左右时硬度达到最大值，合金中各相析出强化达到最佳效果，随着温度继续升高，合金中的α相逐渐增多，且晶粒长大逐渐粗大，使得合金变形协调的能力降低，使得硬度相应的降低。因此，可以说500℃×4h的时效处理制度是最佳的选择工艺

图6 不同时效制度下的硬度值

3 结论

①新型铝青铜合金的铸态相主要由基体α相、κ相、γ2相和β′相构成；②新型铝青铜合金通过适当的热处理后，其性能得到大幅的提升，使得该铝青铜合金基本符合模具材料的要求，其最佳的热处理工艺为：固溶处理工艺940℃×2h+时效处理工艺为500℃×4h。