热处理对Al_Cu_Ti_B合金组织形态与硬度的影响

󰀁Vo󰀁l󰀁,No󰀁5󰀁29

󰀁󰀁

西华大学学报(自然科学版)

󰀁iv󰀁ersity󰀁JournalofXihuaUn󰀂NaturalScience

󰀁󰀁

2010年9月

󰀁.󰀁󰀁Sep2010

文章编号:1673󰀂159X(2010)05󰀂0098󰀂04

热处理对Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金组织形态与硬度的影响

陈仁宗,赵󰀁平,范可歆

(西华大学材料科学与工程学院,四川󰀁成都󰀁610039)

摘󰀁要:在铝铜合金中加入不同含量的Ti、B,在相同熔炼工艺及热处理状态下,获得不同组织的AL󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金,通过XRD、SEM、金相显微镜对其微观组织及布氏硬度进行分析。结果表明:组织中主要为󰀁固溶体和󰀂相(Al2Cu)以及AlCu2T、iAliTiB2。540 固熔处理后,合金都在15h达到峰值硬度129HBS,24h又达到另外一个3T、峰值硬度128HBS。200 时效后,加入钛硼的铝铜合金1󰀁5~2h达到最大硬度140HBS,远快于铝铜二元合金3󰀁5~4h达到最大硬度115HBS。

关键词:铝铜合金;钛硼含量;热处理;AlCu2T;iAl3T;iTiB2

󰀁󰀁中图分类号:TG156󰀁94

󰀁󰀁文献标识码:A

InfluenceofHeatTreatmentonMicrostructuresand

HardnessofAl󰀂Cu󰀂Ti󰀂BAlloy

CHENRen󰀂zong,ZHAOPing,PANKe󰀂xin

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Abstract:Differentcontentsoftitaniumandboronareaddedinaluminium󰀂copperalloy.Atthesameconditionofmetallurgyandhottreatment,differentmicrostructuresareobtained,whicharestudiedbymeansofXRD,SEM,opticalmicrostructuresandBrinellhardness.Themicrostructureis󰀁solutionphraseand󰀂phrase(Al2Cu)andAlCu2Ti,Al3T,iTiB2.Withthesolutionisingtemperatureof540 ,onthetimeof15h,differentcontentsoftitaniumandboronareaddedinthealuminium󰀂copperalloy,Brinellhardnessreachesthepeakof129HBS,andonthetimeof24h,Brinellhardnessreachesanotherpeakof128HBS.Agingatthetemperatureof200 ,onthetimeof1.5~2h,differentcontentsoftitaniumandboronareaddedtothealuminium󰀂copperalloy,theBrinellhardnessreachesthetopof140HBS,farquickerthanthealuminium󰀂copperalloyreachesthetopBrinellhardness.

Keywords:aluminium󰀂copperalloy;contentoftitaniumandboron;heattreatment;AlCu2T;iAl3T;iTiB2

󰀁󰀁含铜5%左右的铝铜合金,其显微组织为󰀁固溶体和󰀂相(Al2Cu)。󰀂相呈网状或半网状分布结构。在显微镜下观察,成浅红色,反差不大,室温下铜在󰀁固溶体中的溶解度为0󰀁2%,凡是铜的质量分数大于0󰀁2%时,就会形成Al󰀂Cu化合物

[1]

单和有效的方法。但目前国内一般用T、iB来改善铝硅合金和其他合金,应用在铝铜合金中的较少,另外,国内外大都是通过AL󰀂Ti󰀂B形式加入铝及其合

金中,加入的量不高,一般Ti、B不超过1%,还存在质量方面的某些不足

[8]

。,如AL󰀂Ti󰀂B中的化合物

[9]

钛硼通常被认为是最好的铝及铝合金的细化剂,晶粒细化是提高材料强度和塑韧性的重要手段

[2󰀂7]

之一。在铝及铝合金的铸造阶段,添加铝钛和铝硼中间合金,是细化晶粒、改善铝材材质的一种简

Al3T、iTiB2晶粒尺寸较大。通过加入一定量的T、iB来改变Al2Cu形态与大小,使其更好地分布在基

体中。当钛含量足够时,形成一定形态的铝钛化合物,且伴随形成钛硼化合物与铝硼化合物。

󰀁󰀁收稿日期:2009󰀂12󰀂01

󰀁󰀁作者简介:陈仁宗(1982󰀂),男,硕士研究生,主要研究方向为高性能结构材料、特种材料性能及制备技术。󰀁󰀁通讯作者:赵󰀁平(1954󰀂),男,教授,博士,主要研究方向为高性能结构材料、特种材料性能及制备技术。E󰀂mai:lZP661@mai.lxhu.edu.cn

第5期陈仁宗等:热处理对Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金组织形态与硬度的影响研究

󰀁󰀁99󰀁

本文向铝铜合金加入不同含量的Ti、B,获得不

同组织,分析固溶处理和时效处理对合金的组织形态和硬度的影响,为Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金的应用提供理论依据。

1󰀁实验

以铝钛中间合金、铝铜中间合金,以及铝硼中间合金形式配制,在真空感应电炉熔炼Al󰀂5Cu󰀂3Ti󰀂1B和Al󰀂5Cu󰀂2󰀁2Ti󰀂1B两种合金,首先对真空感应电炉抽真空至0󰀁5Pa,注入保护气体氩气至0󰀁9!10Pa,进行保护性熔炼,熔炼至温度800~1000 ,浇注到真空炉内金属型腔内,切割合金金相组织试样,将试样置于箱式电阻炉内(温度经校测)540 (8、10、12、15、18、20、24h)固熔处理,在30 冷水中进行快速淬火,在布氏硬度机上打点试验,进行10h固熔以及200 时0~6h时效,确定硬度关系以及形成原因,同时对金相组织试样采用能谱确定合金成分组成以及XRD确定化合物的存在形式。Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金化学组成见表1。

表1󰀁Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金化学组成

化学成份Al󰀂5Cu󰀂3Ti󰀂1BAl󰀂5Cu󰀂2󰀁2Ti󰀂1B

Al󰀂5Cu

Cu555

Ti3󰀁02󰀁2

B0󰀁680󰀁67

Al91󰀁3292󰀁1395

图1󰀁

Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金金相照片

5

2󰀁1󰀁2󰀁能谱

如图2所示,对含钛为3%的铝铜合金面扫描能谱分析结果表明:基体中主要是铝元素,也就是以󰀁固溶体为主;针条状的Al3Ti面扫描结果是只有钛

元素和铝元素,周围不含有其他元素,在晶界除了含有铝铜,还含有钛元素,其含量甚至超过铜的含量。由于硼含量较少,不易测得,由于加入Ti、B后,Al2Cu吸收Ti会形成化合物AlCu2T,i减少了󰀂相(Al2Cu)的数量,导致在普通金相显微镜下发现󰀂相数量不多,在高倍金相显微镜下,且不易分清󰀂相(Al2Cu),大多以AlCu2Ti的形态存在晶间。

2󰀁结果及讨论

2󰀁1󰀁显微组织分析

2󰀁1󰀁1󰀁金相相图

Al󰀂Cu合金铜含量在5%以上,其显微组织为󰀁固溶体和󰀂相(Al2Cu),如图1(c)所示。加入钛硼后,钛首先和铝形成化合物Al3T,iAl3Ti在金相中的形态由于钛在溶体中的溶解温度不同而有所不同,当溶体温度不超过900 时,Al3Ti形态为块形或梅花状,如图1(b)所示,当溶体温度超过900 时,Al3Ti形态为针条状,如图1(a)所示。块状是Al3Ti晶体长大的第一阶段,它没有主生长面,Al3Ti晶体进一步长为针状形态,两种形态的Al3Ti在基体中分布比较均匀。与铝铜二元合金中Al2Cu形状不同,加入钛硼后Al2Cu的量有所减少,部分Al2Cu吸收一定量的钛,变成Al2Cu󰀂Ti化合物,这种化合物主要有AlCu2Ti,没有吸收钛的Al2Cu变得细小分散,没有出现像铝铜二元合金那样网状的或半连续状的Al2Cu化合物,如图1(c)所示,但却出现了TiB2的聚集,如图1(d)所示。大多TiB2弥散分布在基体中,并且TiB2在含钛2󰀁2%中较含钛3%中更细小分散,在含钛3%中TiB2更易偏聚。[11][10]

图2󰀁Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金的面扫描分析

󰀁100󰀁󰀁

西华大学学报󰀂自然科学版2010年

2󰀁1󰀁3󰀁XRD

结合XRD、SEM以及金相照片可以初步确定组织成分

[8]

󰀂相(Al2Cu)对位错的阻滞不大,在Al󰀂Cu二元

合金中,随着󰀂相(Al相(Al2Cu)2Cu)溶解,剩余󰀂溶解造成的固溶强化超过溶解造成的软化,强度和硬度不断提高,当󰀂相(Al2Cu)充分溶解到󰀁固溶体中,固溶强化达到最大,随后保温继续进行,单一相变得均匀,硬度开始下降,但下降幅度很小,基本保持稳定。󰀂相(Al2Cu)在540 的溶解度是一定的,达到最大溶解度不再溶解,基体的固溶强度趋于稳定,铝铜二元合金在15h时还没有达到最大固溶度,但固溶强化等于溶解造成的软化,所以合金的强度和硬度达到最大,布氏硬度值为115HBS,保温15h以后固溶强化开始小于溶解软化,硬度开始下降,但最终趋与平稳100HBS。对于加入T、iB的铝铜合金后,合金中除了󰀂相(Al2Cu),还有Al3T、iTiB2以及新形成的化合物AlCu2T。i在540 时,Al3T、iTiB2固溶度较小,随着保温时间的延长Al3T、iTiB2形状变化不大,针片状或块状Al3Ti仍保持原形,有少部分析出,如图1(e)、(f)所示。AlCu2Ti性质接近于󰀂相(Al2Cu),开始时AlCu2Ti和Al2Cu溶解固溶强化超过溶解软化,硬度增加,15h固溶强化等于溶解软化,硬度达到最大,15h后溶解软化大于固溶强化,硬度开始下降,由于AlCu2Ti溶解伴随着Ti原子生成,Ti原子首先固溶在󰀁固溶体,随着溶

:基体中主要相包括󰀁固熔体和󰀂相

(Al2Cu)、Al3T,i还有一些弥散的TiB2、AlB2,Al2Cu吸收Ti会形成化合物AlCu2T,i󰀂相会以Al2Cu及AlCu2Ti两种形式存在。Al󰀂Cu󰀂2󰀁2Ti󰀂B和Al󰀂Cu󰀂3Ti󰀂B合金的XRD图谱如图3所示。

图3󰀁Al󰀂Cu󰀂2󰀁2Ti󰀂B和Al󰀂Cu󰀂3Ti󰀂B合金的XRD图谱

解进行,虽Ti原子增多,在18h以内Ti固溶起主要作用,只有少量的形成化合物,随着保温进行,Ti开始聚集,Ti原子与溶体内的Al、B形成Al3T、iTiB2,

当钛含量不太高时,Al、TiB2尺寸很小、数量不3Ti多,呈弥散分布,其晶体结构和晶格常数与铝的晶体结构与晶格常数相近,可成为铝和铝合金的形核基[12~15]底。18h后由于弥散晶核核心Al3Ti、TiB2增多导致硬度升高。因此加入Ti、B的铝铜合金后,硬度先升高,接着降低随后又升高。

如图5所示,两种含钛硼的铝铜合金540 10h固溶淬火后,经过200 不同时间时效,对比Al󰀂Cu合金硬度关系:含钛硼的铝铜合金在200 时效时,经过1󰀁5~2h达到最大硬度,随后硬度明显下降,出现过时效现象,钛含量增加,硬度提高。而铝铜二元合金在200 时效时,经过3~4h才能达到最大硬度,4h以后铝铜二元合金才开始出现过时效现象。铝铜系合金脱溶序列如下:过饱和固溶体∀GP区∀󰀂#∀󰀂∃∀󰀂。在200 时效时,由于原子偏聚,会出现脱溶产物,出现过渡相(亚稳定区),含铜5%的铝铜合金,GP区固溶度还没有达到饱和,不会析出GP区,而󰀂#相刚好析出,硬度和强度2󰀁2󰀁热处理与硬度的关系

如图4所示,两种含钛硼的铝合金在540 经不同时间固溶,然后冷水淬火,对比Al󰀂Cu合金硬度关

系:随着时间的推移,固溶后的硬度逐渐变大,当进行到15h时三种铝合金都达到峰值硬度,特别是Al󰀂5Cu󰀂3Ti󰀂1B和Al󰀂5Cu󰀂2󰀁2Ti󰀂1B合金达到的峰值硬度分别是129、128HBS,铝铜二元合金固溶15h以后,硬度都开始下降,铝铜二元合金硬度下降幅度较小,趋于稳定硬度100HBS;而加入钛硼的铝铜合金硬度在18h后开始上升,在24h硬度接近15h的固熔硬度,两种合金达到的峰值硬度分别是128、126HBS。

图4󰀁固熔时间与布氏硬度的关系

第5期陈仁宗等:热处理对Al󰀂Cu󰀂Ti󰀂B合金组织形态与硬度的影响研究

󰀁101󰀁󰀁

最大值出现在󰀂#数量处于最大值之时,虽󰀂∃对合金

的强度和硬度有一定的贡献,但当󰀂∃数量增加,质点长大时,使共格应变降低,与此同时出现󰀂#数量亦减少,因而󰀂∃的出现将逐渐使合金进入过时效状

[1]

态(软化)。

加入钛硼的铝铜合金脱溶序列如下:

∀TiB2

过饱和固溶体∀GP区∀󰀂#∀󰀂∃∀󰀂

∀Al3Ti

在铝铜二元合金中,在540 固溶时,󰀂相(Al2Cu)在基体达到一定溶解度就饱和,基体过剩相含量较少。在200 时效时,由于过剩相较少,基体中又很少有其它难溶杂质颗粒,不能形成有效形核晶粒核心,导致脱溶较慢,只是随时间进行某区域的聚集达到最大饱和度,才有过渡相出现。而在含钛硼的铝铜合金中,由于含有Al3Ti、TiB2、AlB2等硬质点化合物,虽然在高温时Al3Ti可以发生分解反应,但在低温时还是可以发生析出脱溶,Al3Ti在Al3Ti基体周围发生溶解,大量的颗粒状或针片状Al3Ti仍存在,只是尺寸变小,析出Al3Ti发生在剩余的Al3Ti基体周围,形成明显的环绕析出,还与󰀁固溶体存在共格关系,容易形成晶核核心。由于TiB2、AlB2弥散状的硬质点存在容易形成󰀂#或Al3Ti形核质点,导致脱溶反应较迅速,因此含钛硼铝铜合金,1󰀁5~2h达到最大硬度140HBS,这与󰀂#迅速析出有关,同时也与Al3Ti析出有关,Al3Ti通过扩散形成层状新相,金属间化合物生长速度与扩散系数成正比关系。󰀂#数量减少时,󰀂∃数量却增加,且Al3Ti析出基本结束,硬度不再增加,开始下降,最后趋于稳定。

后,含钛合金硬度远大于铝铜二元合金。随着钛的含量增加,出现硼化物偏聚的概率增大。

(3)540 固溶处理后,出现双峰值,合金在15h都达到峰值硬度,随后开始下降,而加入钛硼的铝铜合金在18h以后硬度开始回升,24h又达到峰值硬度。

(4)200 时效后,加入钛硼的铝铜合金,由于Al3T、iTiB2、AlB2等硬质点化合物的存在,因形核质点增多,导致周围脱溶速度快于铝铜二元合金。加入钛硼的铝铜合金1󰀁5~2h达到最大硬度,远快于铝铜二元合金3󰀁5~4h达到最大硬度。

参󰀁考󰀁文󰀁献

[1]张洁.金属热处理及检验[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]CIBULAA,TheGrainRefinementofAluminumAlloyCastingsbyAdditionofTitaniumandBoron[J].J.Inst.Met.,1951~1952,80:1-16.

[3]于亚鑫,邱竹贤,张明杰,等.铝硼及铝钛硼中间合金的研制轻金属[J].1988(4):31-34.

[4]高泽生.国产铝󰀂钛󰀂硼的研制与应用[J].轻合金加工技术,1990(1):5󰀂14.

[5]黄良余.铝及合金的晶粒处理简述[J].特种铸造及有色金属合金,1997(3):41-43.

[6]刘栓江,刘忠侠,杨天清,等.加Ti、B方式对A356合金冲击韧度的影响[J].特种铸造及有色金属合金,2008年年会专刊:168-171.

[7]李喜珍,边秀房,李秀军,等.Al2Ti2B中间合金中的TiB2和AlB2的研究[J].金属学报,2001,37(3):235-238.

[8]聂金凤,刘相法.Ai󰀂Ti󰀂C󰀂B中间合金晶粒细化行为的研究[J].特种铸造及有色金属合金,2008年年会专刊:175-177.

[9]郭俊清,李庆春.过滤对加入Ti、B󰀂Ti的Al󰀂5%Cu合金凝固参数及其凝固组织的影响[J].特种铸造及有色金属合金,1988(02):12-16.

[10]陈玉勇.钛硼对铝及铝合金晶粒细化的研究与发展[J].哈工大科研报告155期,1982,8:1-5.

[11]MANDA.lA,CHAKRABORTYM,MURTYB,S.EffectsofTiB2particlesonSlidingWearBehaviorsAl󰀂4Cualloy[J].Wear,2007,262:160-166.

[12]孝云祯,马宏声,路贵民.Al󰀂Ti󰀂B晶粒的细化合金中的有效形核相[J].中国有色金属学报,1997,7(3):137-139.

图5󰀁时效时间与布氏硬度的关系

[13]赵芳欣,张瑛洁,伊绍奎,等.原位生成铸造TiB2/Al󰀂Si复合材料的微观特征及弹性模量[J].铸造,1998(12):13-16.

[14]Limmaneevichitr.C,Eidhed.W.NovelTechniqueforGrainRefinementinAlumineumCastingbyAl󰀂Ti󰀂BPowerInjection[J].Mate󰀂rialsScienceandEngineering;A2003,(8):174󰀂179.

[15]GUZOWIKIMM,SIGWORHGK,SENTNERDA.TheRoleofBoronintheGrainRefinementofAluminumwithTitanium[J].Metal.lTrans.,1987,A18(4):603󰀂619.

3󰀁结论

(1)加入钛硼改变合金金相组织形态,网状󰀂相(Al2Cu)完全断开,成孤立状,部分󰀂相(Al2Cu)

因吸收钛,变成AlCu2T,i另外,Al3Ti、TiB2等强化了弥散作用,使合金强度和硬度大幅度提高。

(2)随着含钛量增加,合金的硬度提高,热处理

(编校:夏书林)