1. 鋁青銅的強化機理：從相變到析出
鋁青銅的強度提升主要依賴于β'相的析出強化，其過程可分為三個階段：

• 固溶處理（Solution Treatment）

  • 將鑄件加熱至單相β區(qū)（通常1000–1050℃），使合金元素（Al、Fe、Mn等）充分溶解于銅基體中，形成均勻的面心立方（FCC）β固溶體。
  • 此時組織為單一β相，硬度較低（HB ≈ 120–150），但塑性好，為后續(xù)時效做準備。

• 快速冷卻（淬火）

  • 從固溶溫度迅速冷卻（水冷或油冷），抑制β→α+γ?的平衡轉(zhuǎn)變，獲得過飽和的亞穩(wěn)β相（即馬氏體-like結(jié)構(gòu)）。
  • 冷卻速度需大于臨界淬火速度（約10–20℃/s），否則會析出脆性γ?相（Cu?Al?），降低韌性。

• 時效處理（Aging）

  • 在較低溫度（450–550℃）保溫，過飽和β相分解，析出彌散分布的強化相：
    • β'相：有序體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為CuAl，是主要強化相；
    • γ?相：若溫度過高或時間過長，會析出粗大的Cu?Al?，導(dǎo)致脆化。
  • 析出過程遵循彌散強化機制，阻礙位錯運動，顯著提高強度和硬度。

2. 固溶處理工藝優(yōu)化

• 加熱溫度控制

  • 溫度過低（＜1000℃）：Al、Fe等元素未完全固溶，殘留α相或γ?相，影響強化效果；
  • 溫度過高（＞1080℃）：晶粒粗化、氧化嚴重，甚至出現(xiàn)過燒（晶界熔化）；
  • 推薦溫度：
    • ZCuAl10Fe3：1020–1050℃；
    • ZCuAl9Mn2：1000–1030℃。

• 保溫時間計算

  • 保溫時間與壁厚密切相關(guān)，經(jīng)驗公式：t = k × δ
    • t：保溫時間（小時）；
    • δ：最大壁厚（cm）；
    • k：系數(shù)，一般取0.8–1.2 h/cm（厚壁件取上限）。
  • 例如：壁厚50 mm的ZCuAl10Fe3鑄件，保溫時間約為1.0 × 5 = 5小時。

• 加熱方式選擇

  • 推薦使用可控氣氛爐（如氮氣或氬氣保護），防止氧化和脫鋁；
  • 對于大型鑄件，可采用分段升溫：
    • 室溫→400℃（預(yù)熱，防開裂）；
    • 400→800℃（中速升溫）；
    • 800→目標溫度（慢速升溫，≤50℃/h）。

3. 淬火工藝的關(guān)鍵控制

• 冷卻介質(zhì)選擇

  • 水冷（室溫）：冷卻速度快，適合薄壁件（＜30 mm），但應(yīng)力大，易變形開裂；
  • 5%–10% NaCl水溶液：提高冷卻均勻性，減少軟點；
  • 油冷（礦物油，60–80℃）：冷卻較緩和，適用于厚壁或形狀復(fù)雜件，但成本高、易污染；
  • 聚合物淬火液（如PAG）：可調(diào)冷卻速度，環(huán)保且減少變形，推薦用于精密件。

• 淬火轉(zhuǎn)移時間

  • 從出爐到入液時間應(yīng)≤15秒，防止在空氣中發(fā)生非預(yù)期相變；
  • 建議采用自動升降機構(gòu)或機械手操作，確保一致性。

• 淬火后組織要求

  • 金相組織應(yīng)為針狀或板條狀β'馬氏體，無連續(xù)網(wǎng)狀γ?相；
  • 硬度范圍：HB 180–220（未時效狀態(tài)）。

4. 時效處理工藝精細化

• 溫度與時間匹配

  • 溫度過低（＜450℃）：析出緩慢，強化不足；
  • 溫度過高（＞580℃）：β'相粗化，γ?相析出，強度下降；
  • 峰值時效參數(shù)（以ZCuAl10Fe3為例）：
    • 520±10℃ × 4–6小時，空冷；
    • 可獲得抗拉強度σb ≥ 700 MPa，硬度HB ≥ 250。

• 多級時效技術(shù)

  • 預(yù)時效：400℃ × 1小時，促進均勻形核；
  • 主時效：520℃ × 4小時，完成主要析出；
  • 可提升強度5%–10%，并改善韌性。

• 爐溫均勻性控制

  • 時效爐溫差應(yīng)≤±5℃，否則會導(dǎo)致局部過時效或欠時效；
  • 使用多點熱電偶監(jiān)控，并定期校準。

5. 熱處理缺陷預(yù)防與后處理

• 常見缺陷及對策

  • 變形與開裂：
    • 原因：冷卻應(yīng)力過大、鑄件結(jié)構(gòu)不對稱；
    • 對策：優(yōu)化裝爐方式（避免自重彎曲）、采用預(yù)熱淬火、增加去應(yīng)力退火（300–350℃ × 2h）。
  • 表面氧化與脫鋁：
    • 原因：高溫下Al選擇性氧化；
    • 對策：使用保護氣氛爐、工件表面涂覆防氧化涂料（如SiO?基陶瓷涂層）。
  • 性能不均：
    • 原因：加熱不均、冷卻不均；
    • 對策：加強爐內(nèi)循環(huán)、定期清理爐膛積碳。

• 熱處理后檢測

  • 力學(xué)性能：每爐抽檢拉伸試樣，檢測σb、σ0.2、δ等；
  • 金相分析：觀察β'相析出形態(tài)、分布及有無γ?相；
  • 硬度檢測：布氏硬度（HB）或洛氏硬度（HRB），要求波動≤15 HB。

總結(jié)

鋁青銅鑄件的熱處理是一項“精密工程”，必須實現(xiàn)溫度、時間、冷卻、氣氛的協(xié)同控制。企業(yè)應(yīng)建立標準化熱處理規(guī)程（SOP），并結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)提升控制精度：

1. 工藝模擬：采用Thermo-Calc或JMatPro軟件預(yù)測相變行為，優(yōu)化工藝窗口；
2. 智能監(jiān)控：在爐內(nèi)布置無線測溫探頭，實時反饋溫度曲線；
3. 自動化執(zhí)行：集成機器人上下料、自動淬火系統(tǒng)，減少人為誤差；
4. 數(shù)據(jù)追溯：記錄每爐次的完整熱處理參數(shù)，形成可追溯檔案。