通過正交試驗和對比試驗優化了Cu14AlX鋁青銅合金的硬化熱處理工藝,找出了熱處理過程中影響該合金硬化性能的4種因素的主次順序是:固溶溫度、時效時間、時效溫度和固溶時間. 進一步研究證明通過840～880℃油淬固溶和570～600℃空冷時效處理,合金能夠得到48.2HRC的最高硬度. 硬化的原因是時效過程中共析相γ2的均勻細化和κ相的彌散析出。

　　近年來我國板式換熱器行業從國外進口了Cu14AlX鋁青銅合金材料制作的擠壓模具,取代35CrMo等合金鋼模具. 由于這種鋁青銅合金材料具有硬度高、減磨性能好、耐磨性高、剛性穩定、導熱系數高的優良性能,在拉伸、壓延1Cr18Ni9Ti 等不銹鋼換熱器板片時不易發生粘模、劃傷工件等現象,工件的翹曲明顯減少,不僅可以提高產品的質量而且可以減少修模次數及模具損耗,壽命相對合金鋼模具提高5～10倍. 與普通鋁青銅相比,Cu14AlX 鋁含量高,熔煉工藝復雜. 國外采用真空熔煉的技術進行生產,而且整套生產工藝及各項技術指標是全部保密的. 實現該種銅合金模具材料的國產化非常有意義,本文針對國內設備、工藝水平的實際情況,采用非真空冶金鑄造成型的傳統工藝試制了該種合金材料,并運用正交試驗設計方法對影響銅合金模具材料硬度性能的固溶溫度、固溶時間、時效溫度和時效時間等4 種因素進行了比較試驗,以期找出影響銅合金模具材料硬度性能的4 種熱處理工藝參數因素的主次順序及優化固溶、時效處理的最佳溫度和保溫時間.

1、試驗方法

　　鋁青銅合金材料的硬度性能與許多因素有關,像澆注溫度、冷卻速度、凈化程度、熱處理工藝等,其中熱處理工藝參數的正確選擇與匹配是提高合金材料硬度的主要途徑之一. 鋁青銅的強化主要是通過固溶、沉淀、彌散等方法進行的,熱處理的固溶、時效的溫度和時間等因素是影響合金的相變及相分布的主要因素. 如果通過試驗來一一確定所有工藝參數的最佳匹配值,既浪費了大量的人力物力,同時也無法找出綜合可信的試驗結論. 因此采用正交試驗,有計劃、合理地在正交表上安排較少的試驗次數,較短的試驗周期,迅速找出影響結果指標的主要因素,進而找到較優工藝條件 .

1.1、因素數的確定

　　在先前實驗的基礎上,實驗考慮的因素有4個:固溶溫度(因素A)、固溶時間(因素B)、時效溫度(因素C)和時效時間(因素D).

1.2、水平數的確定

　　根據真空技術網的另外篇文章,鋁青銅熱處理過程中20℃以內的溫度變化對最終性能的影響并不顯著. 經計算,所研制合金的鋁當量為14.6%～15.3%,根據Cu2Al二元相圖,可初步確定該準二元合金的固溶和時效溫度范圍,取值間隔大于30℃,如表1所示.

表1 　因素水平

2、試驗設備與材料制備

　　由成分設計配料,采用共裝法,根據快速熔煉、及時澆注的原則,利用高頻感應爐常壓、無保護氣氛一次熔煉法實現合金的熔煉. 具體工藝為:熔化—精煉—靜置—出爐—澆注. 出爐溫度為1200～1250℃,澆注溫度為1150～1200℃. 用砂型鑄成<30的試棒,線切割、加工成<20 ×20的試塊,經一定的熱處理工藝后磨制試樣,用2 號萊氏試劑浸蝕,觀察顯微組織. X射線衍射及SEM觀察分別在RigakuD/max22400和HITACHI S2502上進行.

3、試驗方案及試驗結果分析

　　正交試驗安排方案及結果如表2所示.

表2 　試驗安排及結果

　　注: Kij代表第j列上水平號為i的各試驗結果之和, T為各試驗結果之和, ST為各試驗結果之和的平均值, Rj代表極差為各因素對應Kij數據最大與最小值的差值。