浅析2324铝合金铸态组织及均匀化处理

刘俊涛　张义　刘君城　冉凡青　崔莉

摘要：文章采用金相显微镜、扫面电镜研究了2324铝合金的铸态组织，并对其进行均匀化处理，结果表明：2324铝合金的铸态组织由三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），少量的Al2Cu相和少量的富Mn、Fe相组成，三元共晶相近似呈网状分布。均匀化结果显示，合理的均匀化制度为496℃×20h。

关键词：2324铝合金；铸态组织；均匀化处理；金相组织；扫描组织 文献标识码：A

中图分类号：TG135 文章编号：1009-2374（2016）24-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.032

工業化大生产中，变形铝合金的铸造往往采用半连续直接水冷铸造的生产方式，这就会引起合金组织偏析和成分偏析。往往采用均匀化处理的方式解决这一问题，即在低于共晶温度以下，保温一定时间，使合金中的低熔点共晶相溶解，减少第二相的尺寸和数量，使化学成分趋于平衡分布，从而提高合金的组织均匀性。

2324铝合金是波音公司开发出的高强、高韧和高耐疲劳性能的航空铝合金，主要用作飞机的骨架、隔框、肋梁等结构件中。国内外对2324铝合金进行了部分的报道和研究，如王奎民研究了冷变形对2324组织和性能影响，指出7%～13%冷变形时，2324合金具有良好的综合性能。孙志强等研究了2324铝合金时效成形过程中的微观组织，认为析出相择优生长主要取决于外加应力场的方向。王奎民与张玉洁还就2324合金的预时效时间展开了研究，结果表明，预时效时间为4～10h时，合金具有良好的综合性能。有关2324铝合金铸态组织及均匀化的相关报道较少。基于此，本文采用光学显微镜和扫描电镜研究了2324铝合金的铸态组织和均匀化处理工艺。

1 实验材料及方法

试验用材料为天津忠旺铝业有限责任公司生产的2324铝锭，其化学成分（质量分数/%）如表1所示。在实验炉中将15×12×10mm（长×宽×高）的方形试样，分别在491℃、494℃、496℃下进行均匀化处理，处理时间为8～20h。均匀化热处理炉精度在±1℃。试样经机械磨制，抛光后采用Keller试剂腐蚀3s。采用Zeiss Axio Vert.Al MAT金相显微镜观察铸态和均匀化态金相组织，采用Zeiss SuPRA55扫描电镜对铸态凝固析出相进行观察。

2 铸态组织

2.1 金相组织

图1所示为2324铝合金的铸态金相组织。从图1（a）中可以看到，合金呈典型的枝晶形貌，主要由灰白色相和近似呈网状分布的灰黑色组成；从图1（b）中可以看出，灰黑色相由黑色和灰色层叠而成，呈典型的共晶组织形貌。从图1中可以判断出，灰白色为凝固初生相即α（Al）相，而灰黑色相为低熔点共晶相。

2.2 扫描组织

图2所示为2324铝合金铸态的扫描形貌。从图2（a）中可以更清晰地看到黑色相和白色相交替排布，这与图1（b）中相对应。图2（b）和2（c）中还观察到其他凝固析出相。表2为图2对应的EDS能谱结果，白色相B为Al2Cu相，灰色相C为Al2CuMg相，大块的白色相为Mn、Fe富集相，A处区域为三元共晶相即α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg）相。综上可以发现2324铝合金铸态组织主要由三元α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg）相、Al2Cu相和富Mn、Fe相组成。

3 均匀化组织

图3所示为2324铝合金经不同均匀化制度处理后的金相组织。491℃均匀化时，经8h处理后合金中的低熔点共晶相有初步的断开，如图3（a）所示，这表明此时低熔点相已开始回溶；经14h处理后，未回溶相减少，但粗大的共晶相仍然有大量残留，如图3（b）所示；经20h处理后，共晶相明显减少，但仍然保留部分共晶特征，如图3（c）所示。494℃×20h均匀化后，如图3（d）所示，残留相进一步减少，且共晶组织特征几乎消失不见，如图3（e）所示。496℃×20h处理后，未回溶相进一步减少，未出现过烧特征。

2324铝合金是典型的Al-Cu-Mg-Mn合金，主要考虑的共晶组织是α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），根据成分的不同，其共晶熔化峰值温度在503℃～507℃不等。均匀化退火是基于高温条件下的保温行为，其本质是原子的扩散运动，遵循第一扩散定律。均匀化过程中的主要工艺参数是加热温度和保温时间。均匀化过程中，扩散系数与温度的关系可用Arrhenius公式表示如下：

式中：D为与温度无关的系数；Q为扩散激活能；R为摩尔气体常数；T为绝对温度。从公式中可以看出，温度越高，扩散系数越大，原子扩散速度越快，偏析越容易消除，因此为了加速均匀化过程，应在确保不过烧的前提下，尽可能地提高均匀化温度。因此在研究范围内，选择496℃×20h为合理的均匀化工艺。

4 结语

（1）2324铝合金的铸态组织主要由近似呈网状分布的三元共晶相α（Al）+θ（Al2Cu）+S（Al2CuMg），少量的Al2Cu相和少量的富Mn、Fe相组成；（2）491℃均匀化时，保温时间由8h延长到20h后，均匀化效果显著提高，20h保温时，均匀化温度由491℃提高到496℃时，均匀化效果更好；（3）合理的均匀化工艺为496℃×20h。

参考文献

[1] 王奎民.冷变形对2324合金的组织和性能影响[J].轻金属，1994，（7）.

[2] 孙志强，周文龙，陈国清，黄遐，曾元松.时效成形对2324铝合金组织及性能的影响[J].材料工程，2009，（10）.

[3] 王奎民，张玉洁.预时效时间对2324铝合金组织和性能的影响[J].轻合金加工技术，1996，24（10）.

[4] 王祝堂.2024型铝合金的热处理[J].金属世界，2009，（2）.

（责任编辑：王 波）