CN108085628B - 一种QAl9-4-4铝青铜合金热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铜合金热加工技术领域，具体涉及一种QAl9‑4‑4铝镍青铜合金的热处理工艺。其操作步骤如下：(1)将挤压的QAl9‑4‑4铝青铜合金管材或棒材切成定尺，放入升温到(850～900)℃的电阻炉内保温1～5小时进行高温热处理，出炉后立即在50～80℃温水中冷却；(2)将经过高温热处理的QAl9‑4‑4铝青铜合金管材或棒材，放入升温到(420～470)℃的电阻炉内保温3～8小时进行低温热处理，出炉后空冷；(3)将经过低温热处理的QAl9‑4‑4铝青铜合金管材或棒材，加工成零件后，再放入升温到(480～550)℃的电阻炉内保温2～6小时进行热处理，出炉后空冷。经本发明的热处理工艺制备的QAl9‑4‑4铝青铜管、棒材，抗拉强度可达到820MPa以上，硬度可达到220HBS以上，同时伸长率可达10％以上。其综合力学性能优于常用的QAl10‑4‑4合金，且组织、性能稳定，因此可更广泛地应用于制造各种轴承、轴套等耐磨耐蚀零件。

Description

一种QAl9-4-4铝青铜合金热处理工艺
技术领域
本发明属于铜合金热加工技术领域，具体涉及一种QAL9 -4-4铝青铜合金的热处理工艺。
技术背景
QAL9-4-4合金是一种以铝、镍、铁为主要合金元素的具有优良综合性能的多元复杂铜合金材料，成形性能与不含铁的QAL9-4铝青铜相当，能够挤压制成各种规格的管棒材，且其挤压态强度可与QAl10-4-4相媲美，广泛应用于轴承、轴套、齿轮、圆盘、导向摇臂衬套、接管嘴等耐磨耐腐蚀零件的制造。与QAl10-4-4相比，其铝含量相对偏低(铝含量小于其在铜中的最大固溶度，组织中不太容易出现对合金的成形性能以及力学性能有较大影响的α+γ2共析体，可有效地避免合金发生“冷脆”) 。作为一种可热处理强化的合金，在实际生产中一般通过固溶和时效热处理以进一步提高其使用性能。通过固溶处理将合金元素最大限度地溶入基体中形成过饱和固溶体，再通过后续的时效处理使过饱和固溶体分解，析出弥散分布的具有强化作用的第二相，从而提高合金的强度和硬度等力学性能。经热处理后的QAL9-4-4铝青铜，其综合力学性能可与现有的QAL10-3-1.5、QAL10-4-4、QAL11-6-6等传统的牌号媲美，甚至更好，可更广泛地应用于制造各种轴承、轴套等耐磨零件，发挥其最大应用潜力。
目前，针对QAL9-4-4铝青铜合金的研究报道极少。与其它复杂青铜合金一样，合金的强度性能与塑性或韧性总是存在矛盾，此消彼长，因此，如何通过合理的热处理使其获得良好的强韧性匹配，是行业高度关注的技术问题。何勇等提出QAL10-5-5铝青铜的最佳热处理工艺方案为：950 ℃/2h+600℃/4h，此时虽然晶粒粗大，但析出了大量α+k 强化相，合金的抗拉强度和伸长率分别达到820MPa和8.6％。张大童等自主研发的QAl-9.6Al-4.2Ni-4.1Nb铝青铜经90 0℃/1h固溶和400℃/1h低温回火后的抗拉强度达1100MPa，但伸长率仅有3％；其经900℃/1h固溶和600℃/1h高温回火条件下，有优良的强韧性配合，抗拉强度和伸长率分别为9 00MPa和17％。林高用等采用910℃/3h+480℃/1h的热处理工艺，可使QAl9-4-3合金的抗拉强度达到887MPa，伸长率达7 .3％以上。但是，目前对QAL9-4-4铝青铜合金的热处理工艺研究极少，且热处理后的铝青铜合金中仍然存在内部机加工应力和组织不稳定等问题，这方面的处理措施几乎无人报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺，以解决合金强韧性匹配的问题，同时针对该合金加工的具体零部件，消除其内应力并稳定组织。
本发明提供一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺，其操作步骤如下：
(1)将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材切成定尺，放入升温到(850～900)℃的电阻炉内保温1～5小时进行高温热处理，出炉后立即在50～80℃的温水中冷却。
(2)将经过高温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材，放入升温到(420～470)℃的电阻炉内保温3～8小时进行低温热处理，出炉后空冷。
(3)将经过低温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材，加工成零件后，再放入升温到(480～550)℃的电阻炉内保温2～6小时进行热处理，出炉后空冷。
本发明的技术原理简述如下：对热挤压的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材实施第一步(850～900)℃的高温热处理，是为了使合金元素最大限度地固溶入基体中，出炉后迅速淬火强冷，抑制合金中第二相的高温脱溶，从而获得过饱和固溶体。通常情况下，固溶后淬火都采用室温水冷，但室温水冷却强度太大，易造成材料内部形成较高淬火内应力，严重时甚至直接导致合金淬火开裂。本发明采用50～80℃的温水作为淬火介质，既能保证合金具有较快的冷却速度，又能有效降低淬火应力。经过高温热处理且温水淬火的QAl9-4-4铝青铜合金管材或棒材，合金内部为不稳定的过饱和固溶体，然后将其在(420～470)℃的电阻炉内进行较长时间(3～8小时)的低温热处理，可以使合金中的强化相均匀弥散析出，从而显著提高合金的强度性能。本发明采用这种低温长时的析出工艺，可有效抑制第二相的聚集长大，从而保证合金具有较高的韧性和塑性。后续将合金材料通过机加工制造具体零件时，不可避免地会在工件中形成复杂的残余内应力，尤其加工表面可能形成一些不稳定的组织，降低合金的使用性能，因此本发明在机加工后对工件实施一种(4 80～550)℃的中温长时的热处理，以稳定合金组织，并有效降低工件中的残余应力。
本发明提供一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺。与现有铝青铜合金的热处理工艺相比，本发明的主要特点和优势为：(1)与常用的QAl10-4-4合金相比，QAL9-4-4铝含量相对偏低，铝含量小于其在铜中的最大固溶度，组织中不太容易出现对合金的成形性能以及力学性能有较大影响的α+γ2共析体，可有效地避免合金发生“冷脆”；(2 )与已有的QAl9-4-3铝青铜合金热处理工艺相比，本发明采用了更低的固溶温度，可以更好地抑制α+γ2共析体的生成，提高合金的韧性；(3)与其它青铜合金室温水冷淬火工艺相比，本发明采用温水淬火，能够有效降低淬火应力，提高合金的稳定性；(4)其它青铜合金时效热处理通常在500℃以上的温度进行，稍微控制不当，就容易促进第二相聚集长大，降低合金韧性，本发明采用一种低温长时的析出工艺，可有效抑制第二相的聚集长大，从而保证合金具有较高的韧性和塑性；(5)对于机加工后的热处理，通常没有明确的热处理工艺。本发明对机加工工件实施一种(480～550)℃的中温长时的热处理，以稳定合金组织，并有效降低工件中的残余应力。(6)经本发明的热处理工艺制备的QAL9-4-4铝青铜管、棒材，抗拉强度可达到820MPa以上，硬度可达到220HBS以上，同时伸长率可达10％以上。其综合力学性能优于常用的QAl10- 4-4合金，因此可更广泛地应用于制造各种轴承、轴套等耐磨零件，发挥其最大应用潜力。
具体实施方式
以下结合本发明的原理和特征进行具体描述，所举实施例只用于解释本发明，使本发明的上述及其他目的、特征和其他优势更加清晰，并非用于限定本发明的应用范围。
实施例1
QAL9-4-4铝青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al： 8.6％，Ni：4.2％，Fe：4.0％，不可避免杂质：＜0.5％，余量：Cu。按常规工艺熔铸并挤压成棒材，挤制棒材规格为φ55mm。热处理工艺如下：
(1)将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到880℃的电阻炉内保温3小时进行高温热处理，出炉后立即在50℃温水中冷却。
(2)将经过高温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到470℃的电阻炉内保温3小时进行低温热处理，出炉后空冷
试验表明，经本发明实施例1热处理工艺处理后的QAL9- 4-4铝青铜合金组织主要是α基体上分布着KI和KII相，其中 KI相成球状、向球状转变的椭圆形状以及花瓣形状。α晶粒之间还有未分解的β’相，但面积较小。
力学性能检测结果为：抗拉强度828MPa，断后伸长率1 2.7％，硬度223HBS，满足使用要求。相比而言，挤压态QAl9-4-4铝青铜合金力学性能为：
抗拉强度729MPa，断后伸长率19.5％，硬度194HBS。
将经过低温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，加工成零件后，再放入升温到500℃的电阻炉内保温3小时进行热处理，出炉后空冷。零件在成品库中放置2个月后仍然光亮无腐蚀，且尺寸精度不变。
实施例2
QAL9-4-4铝青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al： 8.6％，Ni：4.2％，Fe：4.0％，不可避免杂质：＜0.5％，余量：Cu。按常规工艺熔铸并挤压成棒材，挤制棒材规格为φ55mm。热处理工艺如下：
(1)将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到830℃的电阻炉内保温2小时进行高温热处理，出炉后立即在60℃温水中冷却。
(2)将经过高温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到440℃的电阻炉内保温2小时进行低温热处理，出炉后空冷。
试验表明，经本发明实施例2热处理工艺处理后的QAL9- 4-4铝青铜合金组织为β，基体上分布着α相和块状KI相以及呈棒状或粒状的KII相，其中KI相被α相包围着。力学性能检测结果为：抗拉强度823MPa，断后伸长率16.9％，硬度214HBS，满足使用要求。相比而言，挤压态QAl9-4-4铝青铜合金力学性能：抗拉强度729MPa，断后伸长率19.5％，硬度194HBS。
将经过低温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，加工成零件后，再放入升温到490℃的电阻炉内保温2小时进行热处理，出炉后空冷。零件在成品库中放置2个月后仍然光亮无腐蚀，且尺寸精度不变。
对比例1
QAL9-4-4铝青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al： 8.6％，Ni：4.2％，Fe：4.0％，不可避免杂质：＜0.5％，余量：Cu。按常规工艺熔铸并挤压成棒材，挤制棒材规格为φ55mm。热处理工艺如下：
(1)将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到810℃的电阻炉内保温3小时进行高温热处理，出炉后立即在50℃温水中冷却。
(2)将经过高温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到520℃的电阻炉内保温3小时进行低温热处理，出炉后空冷。
试验表明，经对比例1热处理工艺处理后，因固溶温度较低，QAL9-4-4铝青铜合金组织为基体为α相，相邻的α晶粒之间有较大的区域，期间分布着两种呈层状分布的相，为α+KIII共析组织。基体中还分布着较多近乎球状的KII相( C类相)。晶界上断断续续地分布着呈点状或棒状的粒子。和挤压态合金相比，该热处理状态下的组织中晶粒更粗大，晶界总面积减少，
变形抗力降低；KI相团聚更严重，KII相发生粗化，其对合金的强化作用减弱。力学性能检测结果为：
抗拉强度763MPa，断后伸长率22.8％，硬度183HBS。相比而言，挤压态QAl9-4-4铝青铜合金力学性能：
抗拉强度729MPa，断后伸长率19.5％，硬度194HBS。
对比例2
QAL9-4-4铝青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al： 8.6％，Ni：4.2％，Fe：4.0％，不可避免杂质：＜0.5％，余量：Cu。按常规工艺熔铸并挤压成棒材，挤制棒材规格为φ55mm。热处理工艺如下：
(1)将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到830℃的电阻炉内保温2小时进行高温热处理，出炉后立即在60℃温水中冷却。
(2)将经过高温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金棒材，放入升温到470℃的电阻炉内保温3小时进行低温热处理，出炉后空冷。
将经过低温热处理的QAl9-4-4铝青铜合金棒材，加工成零件后未进行热处理而直接放置在成品库。2个月后发现工件表面有腐蚀痕迹，且在腐蚀部位存在细小裂纹。表明工件因内部残余应力未释放，促进了腐蚀和应力腐蚀开裂。
对比例3
QAL9-4-4铝青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al： 8.6％，Ni：4.2％，Fe：4.0％，不可避免杂质：＜0.5％，余量：Cu。按常规工艺熔铸并挤压成管材，挤制管材规格为φ60×8mm。热处理工艺如下：
将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金管材，放入升温到920 ℃的电阻炉内保温3小时进行高温热处理，出炉后立即在室温水中淬火冷却。
试验发现，淬火后管材表面产生有大量裂纹，整框料报废。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺，其特征在于：按以下步骤操作：
(1)将挤压的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材切成定尺，放入升温到850～900℃的电阻炉内保温1～5小时进行高温热处理，出炉后立即在50～80℃温水中冷却；
(2)将经过高温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材，放入升温到420～470℃的电阻炉内保温3～8小时进行低温热处理，出炉后空冷；
(3)将经过低温热处理的QAL9-4-4铝青铜合金管材或棒材，加工成零件后，再放入升温到480～550℃的电阻炉内保温2～6小时进行热处理，出炉后空冷。
2.如权利要求1所述的一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺，其特征在于：
步骤(1)中的高温热处理优化工艺为：
在860～900℃的电阻炉保温2～4小时，
出炉后立即在50～60℃温水中冷却。
3.如权利要求1所述的一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺，其特征在于：
步骤(2)中的低温热处理优化工艺为：在(450～470)℃的电阻炉内保温5～7小时，出炉后空冷。
4.如权利要求1所述的一种QAL9-4-4铝青铜合金热处理工艺，其特征在于：
步骤(3)中的热处理优化工艺为：在480～520℃的电阻炉内保温2～4小时，出炉后空冷。
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Granted publication date: 20200410

Pledgee: Industrial and Commercial Bank of China Limited Guixi sub branch

Pledgor: GUIXI JUNDA SPECIAL COPPER Co.,Ltd.

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