韩明涛　易天平　许松桔

摘要：高铁牵引电机传动端盖和非传动端盖的材料为C5M4T6铸造铝镁合金。国内科技文献关于C5M4材料相关报道很少，株洲联诚集团有限责任公司在高铁牵引电机传动端盖和非传动端盖的国产化研发过程中，对铸件的热处理工艺进行了大量的试验，总结得出C5M4材料最佳的热处理工艺，并应用于批量生产，产品质量稳定，取得了较好的效果。

关键词：C5M4铝镁合金；热处理；固溶温度；固溶时间；力学性能 文献标识码：A

中图分类号：TG242 文章编号：1009-2374（2015）21-0082-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.041

1 C5M4材料化学成分及机械性能要求

与铝合金AC7A相比，C5M4抗拉强度与延伸率均有一定提高（砂型铸造AC7A抗拉强度≥140MPa，延伸率≥6%），C5M4主要强化相为Al8Mg5和Al2Cu强化相，与镁元素的含量相比，铜元素的含量差一个数量等级，故本文对Al2Cu强化相不做更多讨论。

2 C5M4铸态组织

铝-镁二元相图如图1所示，镁在铝中最小溶解度为1.9%，最大溶解度为17.4%。富镁部分铝和镁形成β（Al8Mg5）相，在450℃发生共晶反应L→α+β。C5M4含镁量为3.5～4.5%，根据铝-镁相图，组织转变为L→α+L→α→α+β。合金α液态冷却至T1（约650℃）时，开始从L相中析出α相，直至T2（约580℃）时，L相全部转化为α相；T2～T3（约250℃）间，合金为单一α相，随温度下降组织不发生变化；温度下降至T3以下时，从α相析出相，直至室温组织为α相、β相两相共存。

图2为C5M4铸态组织，基体为α固溶体，质点相为Al8Mg5，均匀分布在α基体中，沿晶界有聚集现象。Al8Mg5是脆性化合物，会降低合金的力学性能，并且Al8Mg5电极电位低，抗电化学腐蚀性较差，需要通过热处理，使Al8Mg5相完全溶入基体，使合金呈过饱和状态，得到固溶强化效果，提高合金力学性能、抗蚀性能。

3 C5M4铝镁合金铸件热处理工艺试验

参照铝硅合金和铝镁合金的处理工艺，我们初步制订C5M4T6热处理工艺如下：

3.1 实验方法

实验采用同一批次砂型铸造标准铝合金试棒，在SSXF-5-12A炉中按照不同热处理工艺进行热处理，然后在UTM5305拉伸试验机上进行拉伸实验，并磨制金相试样，在4XC金相显微镜下观察金相组织。

3.2 实验结果

3.3 实验分析

3.3.1 T6热处理对C5M4组织和性能的影响。图3为C5M4经过T6热处理（固溶530℃×4h水淬，时效200℃×4h空冷）后的金相组织，Al8Mg5相固溶入基体，数量减少，残留相体积也较小，晶界处黑色块状为Mg2Si。C5M4加热至530℃时形成单相α固溶体，温度下降至T3以下时，析出β相，由于镁和铝原子的扩散速度慢，冷速稍快就能抑制β相的析出，在室温时得到过饱和单相固溶体。过饱和固溶体有自发分解的倾向，分解过程叫脱溶。单一α相抗腐蚀性较好，通过热处理，即便有β相残留，在电化学腐蚀中β相电极电位更低，不断被腐蚀，最后仍为单一α相，使腐蚀终止。

在金相制备过程中，铸态试样在0.5%氢氟酸水溶液腐蚀下，20min左右能显示出晶界，而经过T6热处理后，需要40min以上才能显示出清晰晶界，也从侧面说明了：（1）T6热处理后合金抗腐蚀性能有较大提高；（2）晶界处聚集的α相大部分固溶进入了α相。

3.3.2 固溶温度过高对组织和力学性能的影响。比较编号20141014、20141015、20141016、20141017，可以看出，在固溶时间、时效温度与时间不变的情况下，合金的机械性能随固溶温度的上升而上升，在530℃附近达到峰值，随后随着温度上升机械性能下降，在590℃时试棒接近熔点，局部发生熔化，已无法进行机械性能试验，固溶温度高于560℃时，抗拉强度和屈服强度均开始下降。

在实际生产过程中，如果加热炉炉温不均匀，局部区域温度过高，很容易发生产品机械性能不合格的现象。我们将试样20141016和试样20141017在金相显微镜下观察，明显发现了过烧组织，金相图片如图4所示：

相比于试样20141016，试样20141017经过590℃固溶处理后过烧组织更为明显，大部分晶界出现三角复熔，β（Al8Mg5）质点相更少，试棒表皮出现褶皱，试棒部分出现熔化，力学性能严重恶化。

3.3.3 固溶时间过长对组织和力学性能的影响。对比编号20141015、20141020、20141021、20141022，在固溶温度、时效温度与时间不变的情况下，合金的强度随固溶时间的上升而上升，在4h后上升趋于平缓，保温8h后合金强度明显下降。固溶时间相较于固溶温度对试棒力学性能的影响较小，在固溶时间超过8h后，试棒的抗拉强度和屈服强度开始下降，观察试样20141022，金相组织有轻微的过烧特征。

3.3.4 时效时间过长对组织和力学性能的影响。对比编号20141015、20141023、20141024、20141027，在固溶温度与时间不变的情况下，随着时效时间的增加合金的抗拉强度和屈服强度缓慢上升，延伸率缓慢下降，在时效超过4小时后，强度和延伸率基本变化不大。

从表3中可以看出，时效时间过长不会导致合金力学性能明显下降，金相组织也没有出现过烧特征。

4 结论

（1）C5M4铸态组织为α固溶体基体和Al8Mg5相质点，通过固溶处理人工时效，使Al8Mg5溶入基体，得到固溶强化效果，提高合金力学性能、抗蚀性能。

（2）过烧会使组织出现复熔球和三角复熔晶界，严重影响合金的力学性能。

（3）C5M4材料固溶处理的温度相比较于固溶处理的时间对材料的力学性能影响更大，实际生产中热处理炉跑温或炉温不均匀同样对产品材质性能影响很大。C5M4的最佳固溶处理温度为530℃～540℃；最佳固溶时间为4～6小时；时效温度200℃±5℃，其热处理的性价比最佳。

参考文献

[1] 崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 石德珂.材料科学基础[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 易忠宏，王铁峰，等.C5M4铸铝合金T6热处理工艺[J].金属加工（热加工），2013，（3）.

[4] 田荣璋.铸造铝合金[M].长沙：中南大学出版社，2006.

[5] 高强.最新有色金属金相图谱大全[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[6] 李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：韩明涛（1966-），女，湖南浏阳人，株洲联诚集团有限责任公司工程师，研究方向：铸造技术。

（责任编辑：秦逊玉）