空冷處理對鑄軋超高強鋁合金組織與性能的影響

蘇曉瞳 遼陽職業技術學院

空冷處理對鑄軋超高強鋁合金組織與性能的影響

蘇曉瞳 遼陽職業技術學院

通過光學顯微鏡、維氏硬度測試等方法，研究了空冷處理對鑄軋 7050鋁合金的固溶組織與性能的影響。

鋁及鋁合金越來越成為工業主要結構用材，其發展應用與工業的發展息息相關，根據鋁及鋁合金的性能特點以及工業與工藝方面的需要，對鋁及鋁合金進行歸類研究，分析鋁合金的應用情況并提出了鋁及鋁合金的下一步發展方向。

鋁及鋁合金具有密度小、耐蝕性和成型性好等一系列優點[1]。在航天、航空、船舶、核工業及兵器工業等有著廣泛的應用前景及不可替代的地位。因而鋁和鋁合金的研制技術被列為國防科技關鍵技術及重點發展的基礎技術。

1 鋁及鋁合金的特點

第一密度小，熔點低，導電性、導熱性好，磁化率低。合金的密度也很小，熔點更低，但導電、導熱性不如純鋁、鋁及鋁合金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。其次抗大氣腐蝕性能好。鋁和氧的化學親和力大，在大氣中，鋁和鋁合金表面會很快形成一層致密的氧化膜，防止內部繼續氧化。但在堿和鹽的水溶液中，氧化膜易破壞因此不能用鋁及鋁合金制作的容器盛放鹽和堿溶液。最后加工性能好，比強度高。

純鋁為面心立方晶格，無同素異構轉變，易于壓力加工成型，并有良好的低溫性能，純鋁的強度低，雖經冷變形強化，強度可提高，但也不能直接用于制作受力的結構件，而鋁合金通過冷成型和熱處理，其抗拉強度可大大提升，相當于低合金鋼的強度，比強度高，成為飛機的主要結構材料。鋁合金按生產工藝可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。鑄造鋁合金又可分為Al-Si，系鑄造鋁合金、Al-Cu，系鑄造鋁合金、Al-Mg，系鑄造鋁合金、變形鋁合金可分為防銹鋁、硬鋁、鍛鋁和超硬鋁四類。防銹鋁包括Al-Mn，及Al-Mg，系合金，抗腐蝕性好，機械強度高于工業純鋁，同時具有良好的焊接性能，但不能熱處理強化。。銅是硬鋁中的主要合金元素，為了提高強度，銅含量控制在4．0%-4．8%的范圍內。超硬鋁屬Al-Zn-Mg-Cu系是鋁合金中強度最高的一類。通過控制鎂、鋅總量，添加適量的銅、鉻及錳可改善合金的抗應力和抗腐蝕能力。

此材料系超高強度鋁合金具有良好的切削性能，機械強度高，耐磨性能好經熱處理后硬度高，國內此材料已逐步代替銅材。氧化性能一般是本企業主要生產牌號。可生產鋁棒、方棒、異型棒，但不可生產空腹產品，廣泛用于汽車活塞、受力元件、氣動元件、五金件、摩托車配件、接頭等。

2 超高強鋁合金的特點

超高強度鋁合金是以Al-Zn-Mg-Cu系為主的可熱處理強化的鋁合金。它具有高的比強度和硬度、良好的熱加工性、優良的焊接性能、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優點，宜做承受較大的結構材料，廣泛應用于航空航天領域。

隨著航空航天事業的發展，人們逐漸認識到，對結構材料的性能要求不僅是好的靜強度和剛度，而且還包括較好的抗蝕性能，較高的斷裂韌性和疲勞強度。

此類合金是隨著航空和航天發展需要而開發出來的一類超高強鋁合金材料，屈服強度一般在500MPa以上，它具有高的比強度和硬度、良好的熱加工性、優良的焊接性能、較好的耐腐蝕性能以及較高的韌性等優點。超高強鋁合金因為性能優越而且成本較低，在很多領域取代了昂貴的鈦合金，成為飛機制造中不可或缺的重要結構材料，也是戰斗機、導彈等武器系統的關鍵結構材料之一，廣泛應用于航空航天及軍事工業。

隨著現代航空航天工業及民用飛機事業的發展，超高強鋁合金的用量大大增加，對超高強鋁合金材料也提出了更高的要求，比如高的比強度、高的比剛度、高的斷裂韌性、低的裂紋擴展速率、抗疲勞、耐腐蝕性能等。為了滿足這種需求，材料工作者通過采用新型加工成形方法及熱處理工藝，優化合金的成分設計等，研發出多種使用性能較好的超高強鋁合金，這些合金既具有高的抗拉強度，又能保持較高的韌性和耐腐蝕性能。超高強鋁合金正成為世界各國結構材料開發的熱點之一。

3 超高強鋁合金的熱處理工藝

高強鋁合金熱處理的目的是通過工藝參數的合理選擇，使合金得到良好的綜合性能。高強鋁合金熱處理主要包括均勻化、固溶淬火、時效等工藝，其中時效工藝又包括單級時效、雙級時效、回歸再時效和形變時效(形變熱處理)。

3.1 固溶熱處理

超高強鋁合金主要通過時效析出而強化，過飽和程度的提高將提高時效析出相的數量，增加強化效果。在現有合金的發展演變過程中，為保證或提高合金的強度，常提高合金元素的含量，在可溶結晶相未充分固溶的情況下，這對合金的綜合性能產生不利影響。過飽和程度既與合金成分有關，也與固溶程度有關。因此，對時效強化效果而言，提高固溶程度與增加合金元素含量作用是類似的。采用雙級強制固溶處理和連續升溫固溶處理技術可以有效提高固溶效果。強化固溶與一般固溶相比，在不提高合金元素總含量的前提下提高了固溶體的過飽和度，同時減少了粗大未溶結晶相，對于提高時效析出程度和改善抗斷裂性能具有積極意義，是提高超高強鋁合金綜合性能的一個有效途徑。

3.2 單級時效

單級時效是一級時效。完全時效后，晶內析出細小的共格或半共格彌散相，晶界分布著較粗大的連續鏈狀質點，這種晶界組織對應力腐蝕和剝落腐蝕十分敏感。完全時效后合金強度可達峰值(T6態)，但抗應力腐蝕性較差。

3.3 雙級時效

雙級時效的目的就是犧牲部分合金的強度，提高合金的抗應力腐蝕性能。雙級時效中，第一級時效為低溫預時效，相對于成核階段，形成大量的GP區，那些能在高溫時效溫度下穩定存在的GP區優先成核轉化為η′相。第二級是高溫時效，在晶內主要形成均勻分布的盤狀相，在亞晶界上形成尺寸較大的η′相析出，在大角度晶界上發現更粗大質點，顯然是較穩定的η′相，隨著時效時間的延長，晶內η′相粗化，晶界η′相穩定并長大，亞晶界上PFZ明顯增寬。經雙級時效處理，合金中的主要強化相為細小彌散的η′相。

3.4 回歸再時效

回歸再時效處理是一種特殊的時效處理工藝。它包括三個階段：第一階段在較低溫度下進行峰值預時效，晶內是細小的η＇相和球狀GP區，晶界為連續的η相質點，強度較高，這與峰時效狀態相同；第二階段，在較高溫度下進行短時回歸處理，晶內的析出相經回歸處理后又都回溶到基體內，同時晶界上的連續鏈狀析出相在此階段已形成較穩定的η＇和η相，在高溫下不會回溶而會發生合并和長大，不再連續，呈離散狀分布，這種晶界組織使抗應力腐蝕性能大為改善，而晶內強化相溶解使合金強度大大降低；第三階段，在較低溫度下再時效，晶內固溶的η＇相將重新析出并且呈細小彌散分布，晶界仍為粗大不連續的η相。總的來說，RRA處理后合金的晶內組織與峰時效的晶內組織相似，為細小均勻分布的共格和半共格的強化相，但合金強度有些許下降，晶界處與過時效的晶界組織相似，為離散分布的粗大非共格析出物，并存在著晶界無沉淀析出帶。這種組織具有峰時效過時效的優點，使合金具有很高強度和良好的抗應力腐蝕。

4 空冷處理對鋁合金的性能影響

4.1470 ℃以下單級固溶，隨著固溶溫度的升高，粗大第二相逐漸溶解，溶質原子的沉淀強化占主導地位，合金強度升高； 470℃以上單級固溶，粗大第二相減少到一定程度，再結晶百分數和亞晶尺寸迅速增大，軟化因素占主導地位，合金強度降低。雙級固溶基本消除粗大第二相，同時抑制了再結晶和亞晶的長大，故強度比單級固溶的最大值還高。固溶后預析出，基體中重新析出粗大第二相，無強化效果，導致合金強度非常低，僅與440℃單級固溶類似。

4.2 單級固溶中，隨著固溶溫度的升高，粗大第二相減少，斷裂韌性提高，但隨著溫度的進一步升高，再結晶百分數和亞晶尺寸迅速增大，沿晶斷裂比例增大，斷裂韌性降低。雙級固溶后，粗大第二相充分融入基體，再結晶和亞晶尺寸較小，斷裂韌性超過單級固溶樣品斷裂韌性的最大值。固溶后預析出，基體中析出大量第二相，雖然再結晶百分數和亞晶尺寸較小，但亞晶界析出粗大的η相，導致裂紋沿亞晶界傳播，斷裂韌性非常低，僅與460℃單級固溶類似。

[1] King AI, Maria,JPetalNature，2000，406：1032