热处理对挤压铸造2024铝合金组织与性能的影响
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第３７卷第５期 ２ ０ １ ０年５月
湖南大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
文章编号：１６７４—２９７４（２０１０）０５—００７４·０４
Ｖ０１．３７，Ｎｏ．５ Ｍａｙ．２ ０ １ ０
热处理对挤压铸造２０２４铝合金组织与性能的影响
陈 刚”，高平平１，范才河１，陈喜红２
（１．湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１００８２；２．中国南车时代电气股份有限公司，湖南株洲４１２００１）
摘要：采用挤压铸造技术制备了２０２４铝合金管件，研究了回溶处理对析出相溶解过
程的影响．结果表明：固溶处理初期，组织中ｅ和Ｓ相的数量逐渐减少，但在晶界的共晶相中
的固溶时间增加到１６ ｈ后，合金的断口韧窝明显 （图６（ｃ）），合金的抗拉强度达到峰值．
■岂々
枷 伽珊瑚猢狮渤｜熹瑚狮
０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０恐 Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ／ｈ
（ａ）不同固溶时间合金抗拉强度
２．Ｚｈｕｚｈｏｕ ＣＳＲ Ｔｉｍｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．。ＬＴＤ。Ｚｈｕｚｈｏｕ－Ｈｕｎａｎ ４１２００１。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ２０２４ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｔｕｂｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎ— ｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｉｎ ２０２４ ｃａｓｔｉｎｇ ａｌｌｏｙｓ ｄｕｒｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｕ ｐｈａｓｅ（Ａ１，Ｃｕ）ａｎｄ Ｓ ｐｈａｓｅ（Ａ１，ＣｕＭｇ）ｄｉｓ— ｓｏｌｖｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｂｕｔ Ｃｕ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｔｉｌｌ ｅｘｉｓｔｅｄ ａｒｏｕｎｄ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ，ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ Ｃｕ ａｎｄ Ｍｇ ｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍａｉｎｌｙ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｓ ｆｒｏｍ Ｃｕ ａｎｄ Ｍｇ ｄｉｓｓｏｌｖｅ．Ｔｈｅ ａｌｌｏｙｓ ｕｎｄｅｒｗｅｎｔ ｓｏｌｕ— ｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｅｄ ａｔ ４９ ５℃ａｎｄ ｔｈｅｙ ｗｅｒｅ ａｇｅｄ ｆｏｒ １ ２ ｈ ｈｏｕｒｓ ａｔ １ ９０℃ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ，ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｏ ４３５ ＭＰａ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ６．９％．
wenku.baidu.com
中图分类号：ＴＧ １４６．２
文献标识码：Ａ
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｑｕｅｅｚｅ Ｃａｓｔｉｎｇ ２０２４ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ
ＣＨＥＮ Ｇａｎｇ”．ＧＡＯ Ｐｉｎｇ—ｐｉｎ９１．ＦＡＮ Ｃａｉ—ｈｅｌ．ＣＨＥＮ Ｘｉ—ｈｏｎ９２ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ－Ｈｕｎａｎ ４１００８２．Ｃｈｉｎａ；
定．为了加速固溶过程，在保证不过烧的前提下，尽 可能使固溶温度接近共晶温度．图２为本实验合金 的ＤＳＣ分析，实验合金共晶温度为５０４．９８℃，过烧 温度在５００．３３℃，因此本研究采用４９５℃进行固溶 处理．由于Ａ１：Ｃｕ（０相）溶解缓慢，保温时间应尽量 充分‘扣６１．
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃ 图２合全ＤＳＣ分析 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ＤＳＣ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｌｌｏｙ
还有一定的Ｃｕ含量；随固溶时间增加，合金基体中Ｃｕ和Ｍｇ的含量逐渐增多，晶界处的共
晶相大部分固溶进入基体，合金的固溶强化作用主要来源于富Ｃｕ，Ｍｇ相的溶解．合金经过 ４９５℃固溶处理１６ ｈ＋１９０℃时效１２ ｈ后，抗拉强度达到４３５ ＭＰａ，延伸率６．９％．
关键词：２０２４铝合金；挤压铸造；力学性能；固溶；时效
收稿日期：２００９－０７—１５ 基金项目：横向课题轻量化传动空心轴的研制 作者简介：陈刚（１９６５一），男．湖甫长沙人，湖南大学教授 ｔ通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌｌｃｈｅｎｇａｎ９８１ｌ＠１６３．ｃｏｒｎ
万方数据
第５期
陈 刚等：热处理对挤压铸造２０２４铝合金组织与性能的影响
７５
１ 实验方法
１．１ 合金熔炼 试验用原料为购置工业纯铝（ＡＩ≥９９．８５％）、
图３为合金为不同固溶时间的２０２４合金组织 ＳＥＭ形貌．图３（ａ）（未固溶处理）表明在挤压铸造 过程中，Ｃｕ，Ｍｇ等合金元素在晶界偏析，形成大量 的网状共晶相，共晶相主要为ｅ相和Ｓ相，铸造组织 产生偏析．经过８ ｈ固溶处理后（图３（ｂ）），合金中共 晶相组织逐渐变细，逐步固溶进入基体．随固溶时间 延长，合金中的共晶相由原网状分布转变为不连续 的点状分布（图３（ｃ））．固溶时间达到１６ ｈ，晶界看 不到呈线状分布的共晶相，共晶相基本固溶进入晶 粒内部（图３（ｄ））．继续延长时间，合金的共晶相基 本不发生变化，表明合金已经充分固溶，若合金固溶 时间过长将会导致晶粒长大（图３（ｅ））．
随着我国铁路的不断提速，机车簧下质量对轮 轨动作用力影响也越来越明显，降低簧下质量是高 速机车车辆设计时必须解决的一项技术难题［４］．传 动空心轴是机车簧下机构中的重要组成部分，其轴 身为一厚壁长管件．目前采用了铸钢件，质量大，研
究表明，通过优化铸造及后续热处理工艺，可制备出 达到性能要求的铸铝空心轴，实现机车传动轴的轻 量化，而目前国内外对挤压铸造态的２０２４铝合金热 处理研究较少．鉴于此，本文对挤压铸造２０２４铝合 金大型管件的热处理方面展开了研究，通过力学性 能测试、扫描电镜（ＳＥＭ）观察和能谱分析等，对合 金热处理过程中共晶相的溶解过程及其产生的固溶 强化作用进行全面的分析与探讨，为铝合金转动空 心轴或大型管件研制提供参考．
进一步对合金进行了固溶时间为０和１６ ｈ的 扫描电镜能谱分析，表２选取了晶界及晶粒中的 Ａ１，Ｃｕ，Ｍｇ含量．表明合金经４９５℃固溶１６ ｈ后， 相已基本发生溶解，淬火后合金基体中过饱和Ｃｕ 原子的数量多，对合金起到良好的固溶强化作用，为 后续的时效做好准备．２０２４铝合金的主要合金元素 为Ｃｕ和Ｍｇ．其溶人ａ（Ａ１）基体形成过饱和固溶体 的溶质原子对合金产生固溶强化口］．为了证实合金 经过１６ ｈ固溶处理，合金中主要合金元素固溶完全 进行了线扫描分析，选取没有析出相的地方进行线 扫，结果表明１６ ｈ后合金元素在晶界和晶内的含量 差别较小．溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所 引起的晶格畸变也越大，强化效果也越好［８］．挤压铸 造产品Ｃｕ，Ｍｇ等合金元素偏析在晶界，形成网状 共晶相，造成合金成分不均．经过长时间固溶处理
ｌ ２ ３
４
５
１
６
７
Ｏ
３
９
１一上模板；２一上模垫片；３一压头｝４～芯轴１５～加热装置Ｉ ６～铸件；７一模具底座；８一下模板；９一拉杆；１０－－排气装置｝１１～凹模
图１ 实验用模具示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｄｉｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ
２结果与分析
２．１ 固溶处理对合金组织的影响 铝合金的固溶处理温度根据其共晶反应温度而
纯Ｍｇ锭（Ｍｇ≥９９．５％）自行熔炼的Ａｌ一１０％Ｍｎ，
Ａｌ一２０％Ｃｕ中间合金，按２０２４名义成分进行称重配 比，在７５０℃的坩埚炉中，先熔炼Ａｌ锭后，依次加入
ＡＩ—Ｍｎ，ＡＩ—Ｃｕ中间合金，Ｍｇ按１０％烧损计最后加 入，添加少量Ａｌ—Ｔｉ—Ｂ作为晶粒细化剂．合金完全熔
融后，搅拌均匀、精炼除气、除渣．最后加少量的覆盖
万方数据
７６
湖南大学学报（自然科学版）
后，合金基体中Ｃｕ，Ｍｇ含量增加，晶界处的共晶相 大部分固溶进入基体，合金强度和硬度随溶质原子
过饱和度的增大而逐渐提高．
Ｆｉｇ．３
图３ ２０２４铝舍金经时间不断的固溶处理后的扫描电镜照片 Ｔｈｅ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ２０１４ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
剂，在７３０℃保温静置备用．熔炼后取样实测成分如
表１所示．
表１合金的化学成分
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ２０２４ ａｌｌｏｙ
％
Ｓｉ
Ｆｅ
Ｃｕ
Ｍｎ
Ｍｇ
Ｚｎ
ＡＩ
１．２铸造工艺 试验所用模具如图１所示．模具通过电热管加热．
压力由１００吨的四柱液压机来施加．模具腔内涂上一 层石墨和机油混合液充当润滑剂．经过工艺摸索试验 后，确定试验浇注温度采用７３０℃，模具温度２５０℃，压 制压力１２０ ＭＰａ．维氏硬度值为６个测点的平均．依据 标准ＧＢｌ４５－５９制备托伸试样５ ｒｎｍＸ ２５ ｍｍ，试样经固 溶时效处理后，在ＷＤＷ－Ｅ２００微机控制电子万能拉伸 机上测试抗拉强度和伸长率，拉伸速率为ｌ ｍｍ／ｍｉｎ， 原始标距采用划线２０ ＩＴｌｌＴＩ的方法，断后伸长用精度为 ０．０２ ｍｍ的游标卡尺测量．在配有能谱分析系统的ＪＥ－ ０Ｌ公司ＪＥＭ－６６００ＬＶ型扫描电子显微镜上观察合金 组织形态和拉伸断口．
图６所示为合金分别在铸态、固溶８ ｈ和１６ ｈ （Ｔ６态）后的拉伸断口形貌．可以看出，铸态合金的 断口组织呈脆性沿晶断裂的冰糖状形貌和河流状的
万方数据
第５期
陈刚等：热处理对挤压铸造２０２４铝合金组织与性能的影响
７７
解理台阶（图６（ａ））；固溶８ ｈ合金的断口合金解理 断裂减少，部分区域出现韧窝，同时由于固溶不完 全，晶界处还存在大量的共晶相（图６（ｂ）），当合金
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：２０２４ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ；ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ；ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ａｇｉｎｇ
ＡＩ—Ｃｕ合金是应用最早的一类铸造铝合金，其 特点是具有很高的室温和高温力学性能，尤其是强 度和伸长率的搭配范围宽，热处理强化效果明显，主 要应用于制造承受较大载荷的航空、航天及民用机 械构件‘１一引．
图５所示为经过不同时间固溶处理，时效后合 金的力学性能，合金时效工艺均采用１９０℃＋１２ ｈ． 合金的抗拉强度随固溶时间的延长而逐渐增大，在 固溶１４～１６ ｈ达到了峰值，继续延长固溶时间，合 金的强度有所下降．固溶时间很短，不能将偏聚于晶 界的合金元素固溶进入基体，铸件中成分不均匀，而 合金元素能够起到固溶强化效果，同时时效强化也 主要是ｅ相和Ｓ相的脱融析出，合金元素的均匀化 有助于铸件力学性能的提高．
时间的硬度一时间曲线．合金在初始阶段硬度变化很 小，当超过２ ｈ后，合金的硬度呈直线上升，到达１２ ｈ
后，合金的硬度达到最大值．时效过程是饱和固溶体脱 溶分解的过程，脱溶可分为共格、部分共格和非共格３ 种变化［９－１０］．在时效初始阶段合金中的各相呈共格，此 时合金的硬度变化较小，当时效时间延长时，中间相呈 部分共格析出，此时合金的硬度呈直线上升．当到达１２ ｈ后，共晶相的时效强化效果达到最大，继续延长时间 后，中间相开始长大以及软化，硬度下降．表明挤压铸 造２０２４铝合金固溶时效经历由过饱和固溶体一ＧＰ区 一过渡相一平衡相的过程． ２．３热处理后合金的力学性能
表２不同固溶时间晶界及晶粒的能谱分析
Ｔａｂ．２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＥＤＳ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
％
２．２时效对合金硬度的影响 图４为合金经固溶处理后，在１９０℃下不同时效
＞Ｉ，譬８曼ｙ量
Ｆｉｇ．４
ａｇｅ ｔｉｍｅ／ｈ 图４时效时间对合金硬度的影响 Ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｇｅ ｔｉｍｅ
湖南大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
文章编号：１６７４—２９７４（２０１０）０５—００７４·０４
Ｖ０１．３７，Ｎｏ．５ Ｍａｙ．２ ０ １ ０
热处理对挤压铸造２０２４铝合金组织与性能的影响
陈 刚”，高平平１，范才河１，陈喜红２
（１．湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１００８２；２．中国南车时代电气股份有限公司，湖南株洲４１２００１）
摘要：采用挤压铸造技术制备了２０２４铝合金管件，研究了回溶处理对析出相溶解过
程的影响．结果表明：固溶处理初期，组织中ｅ和Ｓ相的数量逐渐减少，但在晶界的共晶相中
的固溶时间增加到１６ ｈ后，合金的断口韧窝明显 （图６（ｃ）），合金的抗拉强度达到峰值．
■岂々
枷 伽珊瑚猢狮渤｜熹瑚狮
０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０恐 Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ／ｈ
（ａ）不同固溶时间合金抗拉强度
２．Ｚｈｕｚｈｏｕ ＣＳＲ Ｔｉｍｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．。ＬＴＤ。Ｚｈｕｚｈｏｕ－Ｈｕｎａｎ ４１２００１。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ２０２４ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｔｕｂｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎ— ｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｉｎ ２０２４ ｃａｓｔｉｎｇ ａｌｌｏｙｓ ｄｕｒｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｕ ｐｈａｓｅ（Ａ１，Ｃｕ）ａｎｄ Ｓ ｐｈａｓｅ（Ａ１，ＣｕＭｇ）ｄｉｓ— ｓｏｌｖｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｂｕｔ Ｃｕ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｔｉｌｌ ｅｘｉｓｔｅｄ ａｒｏｕｎｄ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ，ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ Ｃｕ ａｎｄ Ｍｇ ｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍａｉｎｌｙ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｓ ｆｒｏｍ Ｃｕ ａｎｄ Ｍｇ ｄｉｓｓｏｌｖｅ．Ｔｈｅ ａｌｌｏｙｓ ｕｎｄｅｒｗｅｎｔ ｓｏｌｕ— ｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｅｄ ａｔ ４９ ５℃ａｎｄ ｔｈｅｙ ｗｅｒｅ ａｇｅｄ ｆｏｒ １ ２ ｈ ｈｏｕｒｓ ａｔ １ ９０℃ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ，ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｏ ４３５ ＭＰａ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ６．９％．
wenku.baidu.com
中图分类号：ＴＧ １４６．２
文献标识码：Ａ
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｑｕｅｅｚｅ Ｃａｓｔｉｎｇ ２０２４ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ
ＣＨＥＮ Ｇａｎｇ”．ＧＡＯ Ｐｉｎｇ—ｐｉｎ９１．ＦＡＮ Ｃａｉ—ｈｅｌ．ＣＨＥＮ Ｘｉ—ｈｏｎ９２ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ－Ｈｕｎａｎ ４１００８２．Ｃｈｉｎａ；
定．为了加速固溶过程，在保证不过烧的前提下，尽 可能使固溶温度接近共晶温度．图２为本实验合金 的ＤＳＣ分析，实验合金共晶温度为５０４．９８℃，过烧 温度在５００．３３℃，因此本研究采用４９５℃进行固溶 处理．由于Ａ１：Ｃｕ（０相）溶解缓慢，保温时间应尽量 充分‘扣６１．
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃ 图２合全ＤＳＣ分析 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ＤＳＣ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｌｌｏｙ
还有一定的Ｃｕ含量；随固溶时间增加，合金基体中Ｃｕ和Ｍｇ的含量逐渐增多，晶界处的共
晶相大部分固溶进入基体，合金的固溶强化作用主要来源于富Ｃｕ，Ｍｇ相的溶解．合金经过 ４９５℃固溶处理１６ ｈ＋１９０℃时效１２ ｈ后，抗拉强度达到４３５ ＭＰａ，延伸率６．９％．
关键词：２０２４铝合金；挤压铸造；力学性能；固溶；时效
收稿日期：２００９－０７—１５ 基金项目：横向课题轻量化传动空心轴的研制 作者简介：陈刚（１９６５一），男．湖甫长沙人，湖南大学教授 ｔ通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌｌｃｈｅｎｇａｎ９８１ｌ＠１６３．ｃｏｒｎ
万方数据
第５期
陈 刚等：热处理对挤压铸造２０２４铝合金组织与性能的影响
７５
１ 实验方法
１．１ 合金熔炼 试验用原料为购置工业纯铝（ＡＩ≥９９．８５％）、
图３为合金为不同固溶时间的２０２４合金组织 ＳＥＭ形貌．图３（ａ）（未固溶处理）表明在挤压铸造 过程中，Ｃｕ，Ｍｇ等合金元素在晶界偏析，形成大量 的网状共晶相，共晶相主要为ｅ相和Ｓ相，铸造组织 产生偏析．经过８ ｈ固溶处理后（图３（ｂ）），合金中共 晶相组织逐渐变细，逐步固溶进入基体．随固溶时间 延长，合金中的共晶相由原网状分布转变为不连续 的点状分布（图３（ｃ））．固溶时间达到１６ ｈ，晶界看 不到呈线状分布的共晶相，共晶相基本固溶进入晶 粒内部（图３（ｄ））．继续延长时间，合金的共晶相基 本不发生变化，表明合金已经充分固溶，若合金固溶 时间过长将会导致晶粒长大（图３（ｅ））．
随着我国铁路的不断提速，机车簧下质量对轮 轨动作用力影响也越来越明显，降低簧下质量是高 速机车车辆设计时必须解决的一项技术难题［４］．传 动空心轴是机车簧下机构中的重要组成部分，其轴 身为一厚壁长管件．目前采用了铸钢件，质量大，研
究表明，通过优化铸造及后续热处理工艺，可制备出 达到性能要求的铸铝空心轴，实现机车传动轴的轻 量化，而目前国内外对挤压铸造态的２０２４铝合金热 处理研究较少．鉴于此，本文对挤压铸造２０２４铝合 金大型管件的热处理方面展开了研究，通过力学性 能测试、扫描电镜（ＳＥＭ）观察和能谱分析等，对合 金热处理过程中共晶相的溶解过程及其产生的固溶 强化作用进行全面的分析与探讨，为铝合金转动空 心轴或大型管件研制提供参考．
进一步对合金进行了固溶时间为０和１６ ｈ的 扫描电镜能谱分析，表２选取了晶界及晶粒中的 Ａ１，Ｃｕ，Ｍｇ含量．表明合金经４９５℃固溶１６ ｈ后， 相已基本发生溶解，淬火后合金基体中过饱和Ｃｕ 原子的数量多，对合金起到良好的固溶强化作用，为 后续的时效做好准备．２０２４铝合金的主要合金元素 为Ｃｕ和Ｍｇ．其溶人ａ（Ａ１）基体形成过饱和固溶体 的溶质原子对合金产生固溶强化口］．为了证实合金 经过１６ ｈ固溶处理，合金中主要合金元素固溶完全 进行了线扫描分析，选取没有析出相的地方进行线 扫，结果表明１６ ｈ后合金元素在晶界和晶内的含量 差别较小．溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所 引起的晶格畸变也越大，强化效果也越好［８］．挤压铸 造产品Ｃｕ，Ｍｇ等合金元素偏析在晶界，形成网状 共晶相，造成合金成分不均．经过长时间固溶处理
ｌ ２ ３
４
５
１
６
７
Ｏ
３
９
１一上模板；２一上模垫片；３一压头｝４～芯轴１５～加热装置Ｉ ６～铸件；７一模具底座；８一下模板；９一拉杆；１０－－排气装置｝１１～凹模
图１ 实验用模具示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｄｉｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ
２结果与分析
２．１ 固溶处理对合金组织的影响 铝合金的固溶处理温度根据其共晶反应温度而
纯Ｍｇ锭（Ｍｇ≥９９．５％）自行熔炼的Ａｌ一１０％Ｍｎ，
Ａｌ一２０％Ｃｕ中间合金，按２０２４名义成分进行称重配 比，在７５０℃的坩埚炉中，先熔炼Ａｌ锭后，依次加入
ＡＩ—Ｍｎ，ＡＩ—Ｃｕ中间合金，Ｍｇ按１０％烧损计最后加 入，添加少量Ａｌ—Ｔｉ—Ｂ作为晶粒细化剂．合金完全熔
融后，搅拌均匀、精炼除气、除渣．最后加少量的覆盖
万方数据
７６
湖南大学学报（自然科学版）
后，合金基体中Ｃｕ，Ｍｇ含量增加，晶界处的共晶相 大部分固溶进入基体，合金强度和硬度随溶质原子
过饱和度的增大而逐渐提高．
Ｆｉｇ．３
图３ ２０２４铝舍金经时间不断的固溶处理后的扫描电镜照片 Ｔｈｅ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ２０１４ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
剂，在７３０℃保温静置备用．熔炼后取样实测成分如
表１所示．
表１合金的化学成分
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ２０２４ ａｌｌｏｙ
％
Ｓｉ
Ｆｅ
Ｃｕ
Ｍｎ
Ｍｇ
Ｚｎ
ＡＩ
１．２铸造工艺 试验所用模具如图１所示．模具通过电热管加热．
压力由１００吨的四柱液压机来施加．模具腔内涂上一 层石墨和机油混合液充当润滑剂．经过工艺摸索试验 后，确定试验浇注温度采用７３０℃，模具温度２５０℃，压 制压力１２０ ＭＰａ．维氏硬度值为６个测点的平均．依据 标准ＧＢｌ４５－５９制备托伸试样５ ｒｎｍＸ ２５ ｍｍ，试样经固 溶时效处理后，在ＷＤＷ－Ｅ２００微机控制电子万能拉伸 机上测试抗拉强度和伸长率，拉伸速率为ｌ ｍｍ／ｍｉｎ， 原始标距采用划线２０ ＩＴｌｌＴＩ的方法，断后伸长用精度为 ０．０２ ｍｍ的游标卡尺测量．在配有能谱分析系统的ＪＥ－ ０Ｌ公司ＪＥＭ－６６００ＬＶ型扫描电子显微镜上观察合金 组织形态和拉伸断口．
图６所示为合金分别在铸态、固溶８ ｈ和１６ ｈ （Ｔ６态）后的拉伸断口形貌．可以看出，铸态合金的 断口组织呈脆性沿晶断裂的冰糖状形貌和河流状的
万方数据
第５期
陈刚等：热处理对挤压铸造２０２４铝合金组织与性能的影响
７７
解理台阶（图６（ａ））；固溶８ ｈ合金的断口合金解理 断裂减少，部分区域出现韧窝，同时由于固溶不完 全，晶界处还存在大量的共晶相（图６（ｂ）），当合金
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：２０２４ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ；ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ；ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ａｇｉｎｇ
ＡＩ—Ｃｕ合金是应用最早的一类铸造铝合金，其 特点是具有很高的室温和高温力学性能，尤其是强 度和伸长率的搭配范围宽，热处理强化效果明显，主 要应用于制造承受较大载荷的航空、航天及民用机 械构件‘１一引．
图５所示为经过不同时间固溶处理，时效后合 金的力学性能，合金时效工艺均采用１９０℃＋１２ ｈ． 合金的抗拉强度随固溶时间的延长而逐渐增大，在 固溶１４～１６ ｈ达到了峰值，继续延长固溶时间，合 金的强度有所下降．固溶时间很短，不能将偏聚于晶 界的合金元素固溶进入基体，铸件中成分不均匀，而 合金元素能够起到固溶强化效果，同时时效强化也 主要是ｅ相和Ｓ相的脱融析出，合金元素的均匀化 有助于铸件力学性能的提高．
时间的硬度一时间曲线．合金在初始阶段硬度变化很 小，当超过２ ｈ后，合金的硬度呈直线上升，到达１２ ｈ
后，合金的硬度达到最大值．时效过程是饱和固溶体脱 溶分解的过程，脱溶可分为共格、部分共格和非共格３ 种变化［９－１０］．在时效初始阶段合金中的各相呈共格，此 时合金的硬度变化较小，当时效时间延长时，中间相呈 部分共格析出，此时合金的硬度呈直线上升．当到达１２ ｈ后，共晶相的时效强化效果达到最大，继续延长时间 后，中间相开始长大以及软化，硬度下降．表明挤压铸 造２０２４铝合金固溶时效经历由过饱和固溶体一ＧＰ区 一过渡相一平衡相的过程． ２．３热处理后合金的力学性能
表２不同固溶时间晶界及晶粒的能谱分析
Ｔａｂ．２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＥＤＳ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
％
２．２时效对合金硬度的影响 图４为合金经固溶处理后，在１９０℃下不同时效
＞Ｉ，譬８曼ｙ量
Ｆｉｇ．４
ａｇｅ ｔｉｍｅ／ｈ 图４时效时间对合金硬度的影响 Ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｇｅ ｔｉｍｅ