肖远伦，赵强，黄志伟，宁海青，邓天泉，孙昌健，赵高瞻

(1.西南技术工程研究所，重庆 400039;2.国防科技工业精密塑性成形技术研究应用中心，重庆 400039)

ZL114A铝合金具有很高的强度和韧性，良好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件，广泛应用于航空、航天、汽车等领域[1－2]。铝合金传统热处理通常采用的淬火介质为水和油，油的冷却速度较慢，经常出现淬火硬度不足或淬硬层深度达不到预定要求等现象，而水的冷却速度较快，容易造成工件的淬火变形，严重时会开裂致使工件报废，淬火过程中汽化产生的气泡还会致使工件表面冷却不均出现软点[3－4]。水溶性淬火介质的冷却速度介于油和水之间，它克服了水和油的上述弊端，还具有无毒、无有害气体、无火灾危险、不污染环境、成本低廉等优点。

目前液体淬火介质在我国热处理行业中仍然处于主导地位，如自来水、机油、有机高分子淬火介质等。淬火介质的冷却性能主要受淬火介质温度、浓度等因素的影响[5]。文中以水、聚乙烯醇和水溶性聚合物PAG为研究对象，比较它们在500℃ 淬火时的冷却曲线，分析淬火介质温度和浓度对淬火介质冷却能力的影响，对比选择适合ZL114A铝合金的淬火介质。优化淬火介质的浓度和温度因素，研究淬火介质因素对ZL114A铝合金组织、性能与变形的影响。

1 试验方法

1.1 冷却特性曲线的测定

分别选取PAG水溶性聚合物、聚乙烯醇和清水作为冷却介质。以ZL114A铝合金为试验用材[6]，化学成分见表1。使用郑州科慧KHR-02便携式淬火介质检测仪检测淬火介质的冷却性能。先配制好淬火介质水溶液，再将加热到某一温度的铝合金试件迅速投入介质溶液中，在淬火介质特性测试仪上用银探头(φ16 mm×48 mm)测定铝合金试样温度随冷却时间变化的曲线，并绘制出介质在不同使用温度下的冷却特性曲线。

表1 ZL114A铝合金的化学成分Table1 The chemical composition of ZL114A alloy%

1.2 试样的性能及变形测定

制备6根试杆作性能试样(如图1a所示，编号a1—a6)，6个圆环作变形试样(如图1b所示，编号b1—b6)，分别对试杆和圆环进行热处理试验。工艺参数为:300℃ ×0.5 h+400℃ ×0.5 h+535℃×14 h+180℃ ×6 h，固溶采用RJJ-36-6井式空气循环电阻炉，淬火时分别在装有不同温度和浓度PAG的不锈钢桶中进行，时效采用SX2-2.5-10型箱式电阻炉。淬火后用游标卡尺检测变形试样的变形ΔLi，ΔLi=|Li－ L0|，ΔLi即表示热处理后尺寸变化量，采用CMT-5105微机控制万能材料试验机检测试杆的抗拉强度Rm。

图1 ZL114A性能试样和变形试样Fig.1 Scheme of ZL114A alloy used for measuring mechanical properties and deformation

2 试验结果及分析

2.1 PAG、聚乙烯醇和水的冷却性能

先把铝合金试样加热到535℃，再将其迅速投入淬火介质溶液中，把试样温度随时间变化的曲线记录下来，即可得到试样在不同淬火介质中的冷却特性曲线。PAG、聚乙烯醇和清水在相同温度下的冷却特性曲线如图2所示，发现PAG水溶性聚合物淬火介质在450℃时的冷却特性与聚乙烯醇十分接近，大大降低了淬火过程中的热应力;在450～250℃时的冷却特性与水接近，保证了合金组织的稳定，防止发生组织转变，而聚乙烯醇的冷却速度开始下降;在250～200℃时的冷却速度比聚乙烯醇快，比水慢。

图2 PAG、聚乙烯醇和水的冷却曲线Fig.2 Cooling curves of PAG，poly and water

PAG在相同浓度不同温度下的冷却特性曲线如图3所示，淬火介质在淬火过程中物态变化可以分成蒸汽、沸腾和对流等3个阶段[7]，如图4所示。发现PAG在淬火过程中有物态变化，随介质温度的升高，介质粘度的增大，汽化困难，蒸汽膜阶段增长，推迟泡状沸腾阶段，使最大冷却速度及其所对应的温度下降。淬火介质最大冷速的降低伴随着淬火蒸汽膜时间的延长，说明淬火介质温度对冷却能力的影响主要是通过延长蒸汽膜的时间来实现的，随着水温的升高，不仅最大冷速降低，特性温度点也会随之降低。

图3 不同温度的PAG冷却曲线Fig.3 Cooling curves of PAG at different temperatures during quenching

图4 淬火介质3阶段示意Fig.4 The three phase diagram of quenching medium

PAG在不同浓度和相同温度下的冷却特性曲线如图5所示，发现在淬火过程中，随着PAG浓度的增加，其最大冷速逐渐降低。主要由于浓度越高，介质粘度越大，气化困难，蒸汽膜阶段延长，冷却速度降低，说明PAG浓度是影响低温淬火过程中冷却速度的主要因素之一。对比图2和图3发现，PAG在低温冷却过程可以依靠浓度调节其冷却速度，而水和聚乙烯醇必须依靠改变水温使淬火过程中产生蒸汽膜来调节冷速，从节能和减小铝合金变形来看，PAG比水和聚乙烯醇具有更好的效果。

图5 不同浓度PAG淬火时的冷却曲线Fig.5 Cooling curves of PAG at different concentrations during quenching

2.2 PAG浓度对试样性能、变形和组织的影响

将性能和变形试样分为3组，分别在质量分数为10%，15%和20%的PAG中进行淬火冷却试验，介质温度为40℃，经不同浓度PAG淬火介质淬火后试样的抗拉强度和变形见表2。发现随着介质浓度的增加，试样的抗拉强度逐渐降低，同时变形量逐渐减少。介质浓度的变化将影响合金淬火时的冷却速率，随着浓度的逐步增加，冷却速率逐渐减小，导致试样抗拉强度降低，变形量减少。

表2 合金在不同浓度的PAG中淬火后的强度和变形Table2 Strength and deformation of alloy quenched in PAG at different concentrations

性能试样分别在质量分数为10%，15%和20%的PAG中进行淬火试验后，金相显微组织如图6所示。可以看出，ZL114A铝合金显微组织主要由α-Al、共晶 Si、Mg2Si及杂质铁相等组成[8]。合金试样在质量分数为10%的介质中淬火后，晶界处共晶硅大部分呈颗粒状，Mg2Si数量较少;质量分数为15%时，共晶硅呈杆状或颗粒状，有少量Mg2Si存在;当质量分数为20%时，共晶硅大部分呈杆状，有大量Mg2Si存在。不同浓度PAG淬火介质反映的是合金淬火时不同的冷却速率。合金淬火后，合金形成的是空位和溶质均为过饱和态的固溶体，而溶质原子容易偏聚在晶界附近，因此晶界处Mg和Si含量较高[9]。当淬火冷却速率比较高时，如质量分数为10%时，沉淀相没有充足的时间形核析出，因此晶界上很少或基本没有析出相。随淬火冷却速率降低，溶质原子有较充足的时间形核析出并扩散到晶界，沉淀相在晶界析出的数量增加，且沉淀相的尺寸相应增大[10－11]。

图6 合金在不同浓度的PAG中淬火后的显微组织Fig.6 Microstructure of alloy quenched in PAG at different concentrations

2.3 PAG温度对试样性能、变形和组织的影响

将性能和变形试样分别在温度为25，40和55℃的PAG中进行淬火试验，介质质量分数为15%。经不同温度PAG淬火介质淬火后试样的抗拉强度和变形见表3，发现随着介质温度的增加，试样的抗拉强度逐渐降低，同时变形量逐渐减少，介质温度变化将影响合金淬火时的冷却速率。随着温度的逐步增加，冷却速率逐渐减小，导致试样的抗拉强度降低，变形量减少。

表3 合金在不同温度的PAG中淬火后的强度和变形Table3 Strength and deformation of alloy quenched in PAG at different temperatures

性能试样分别在温度为25，40和55℃的PAG中进行淬火试验后，金相显微组织如图7所示。发现合金试样在温度为25℃的PAG中淬火后，因冷却速率较高，Mg2Si没有足够的时间形核析出，在晶界上很少或基本没有Mg2Si存在，共晶硅大部分呈颗粒状;温度为40℃时，冷却速度降低，有少量Mg2Si存在，共晶硅呈杆状或颗粒状;温度为55℃时，冷却速度大幅降低，有大量Mg2Si存在，共晶硅大部分呈杆状。

图7 合金在不同温度的PAG中淬火后的显微组织Fig.7 Microstructure of alloy quenched in PAG at different temperatures

3 结语

1)PAG可以通过改变其浓度调节冷却速度，降低ZL114A铝合金淬火过程中冷却能力的影响主要通过延长形成蒸汽膜的时间来实现，相比水和聚乙烯醇具有更好的淬火效果。

2)PAG使用温度和浓度越低时，淬火后ZL114A铝合金试样获得的强度越高，组织越细小且比较均匀，但变形量却较大。

3)采用PAG作为ZL114A铝合金的淬火介质，为使其获得较好的组织与力学性能，同时保持较少的变形量，PAG的使用温度应大致控制在40℃，质量分数在15%左右。

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