7075-T651/7075復層鋁合金的顯微組織和力學性能

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(佳木斯大學材料科學與工程學院，教育部金屬耐磨材料及表面技術工程研究中心， 佳木斯 154007)

0 引 言

塑料成型用鋁合金模具因具有密度小、生產周期短、導熱快等特點而得到了廣泛應用。高強度鋁合金熱軋板是制造模具的合適材料，但是當前高強度鋁合金板的厚度一般不超過200 mm[1-3]，而在用作模具時在厚度方向上需給冷卻系統、加熱系統、澆注系統等留出空間，因此真正用于加工型腔的厚度只有100 mm左右，如果塑料制品的高度超過100 mm，則鋁合金型腔的強度就不能滿足要求。因此，考慮使用雙金屬復層材料來制備塑料用模具，復層材料一側為高強度鋁合金熱軋板，用于制造模具型腔，另一側為鑄態鋁合金，作為輔助結構用來安裝冷卻、加熱等系統。這可以在一定程度上解決鋁合金熱軋板作為模具材料時厚度受限的問題。

雙金屬復層材料的制備方法有鑄造復合法、爆炸復合法、軋制復合法和擴散焊接法等[4-8]。爆炸復合法的應用范圍較廣，適合性能相差很大的材料間的復合，但所得復層材料的厚度和質量受到限制，同時制備時的噪聲也較大[9]；軋制復合法通過壓力實現材料間的機械結合，結合強度較低[10]；擴散焊接法通過原子間的相互擴散實現結合，對板材尺寸無要求，但不適合批量生產[11]；鑄造復合法具有工藝簡單、成本低廉、安全等特點，能實現材料間的冶金結合，可制備得到鋼/鑄鐵、鋼/銅、鋼/鋁、銅/鋁、鋁/鋁、鎂/鎂和鋁/鎂等復層材料[12]。固液復合法是常用的一種鑄造復合法，但該法需去除基體表面的氧化膜，制備工序相對復雜。為此，研究人員又開發了一種無需對基體進行處理的鑄造復合法——沖擊射流固液復合鑄造法，該方法將熔融的金屬液以一定角度和速度澆注到基體表面，利用金屬液和基體之間的沖擊對流換熱作用去除基體表面氧化膜，實現冶金結合。

作者以高強度7075-T651鋁合金熱軋板為基體，采用沖擊射流固液復合鑄造法在其表面澆注7075鋁合金液，制備得到7075-T651/7075復層鋁合金，研究了其顯微組織和力學性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

制備7075鋁合金的試驗原料為市售國產工業純鋁、鋅錠、工業鎂錠、電解銅。基體材料為7075-T651鋁合金熱軋板，其顯微組織為柱狀晶，并伴有再結晶組織及亞晶組織，如圖1所示；洛氏硬度為59.0 HRA，抗拉強度為566.01 MPa，磨損率為0.237 g·mm-3。

圖1 7075-T651鋁合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of 7075-T651 aluminum alloy

以工業純鋁、鋅錠、工業鎂錠、電解銅為原料，按照表1進行配料，在SG2-20-10型電阻爐中進行熔煉。熔煉結束后，將鋁合金液澆注在未預熱的7075-T651鋁合金熱軋板基體上，如圖2所示，澆注溫度為810 ℃，基體的運動速度為15 mm·s-1，澆注厚度約為10 mm。制備得到復層鋁合金試樣的尺寸為100 mm×100 mm×70 mm。

圖2 沖擊射流固液復合鑄造法示意Fig.2 Schematic of impact jet solid-liquid compositecasting method

1.2 試驗方法

橫向截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，用質量分數為2%的HF溶液腐蝕30 s后，利用Axio Observer A1m型光學顯微鏡觀察顯微組織。用JSM6800F型掃描電鏡(SEM)觀察析出相形貌，用附帶的Aztec X-Max50 Energy 250型X射線能譜儀(EDS)進行微區成分分析。用D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成，采用銅靶，Kα射線，加速電壓40 kV，加速電流40 mA。使用HB-150A型洛氏硬度計測截面硬度，載荷為588 N，保載時間15 s，沿深度方向每隔3 mm取點測試，同一深度測3個點取平均值。在ML-100型磨粒磨損試驗機上進行磨損試驗，磨料為500#砂紙，試驗載荷為2 N，磨損時間為15 min，用質量磨損率來表示磨粒磨損率，計算公式為

I=Δm/(LA)(1)

式中：I為磨損率；m為試樣磨損前后的質量差；L為滑動距離;A為試樣與砂紙接觸的表面積。

根據GB/T 16865-1997，分別在復層鋁合金試樣的基體和包覆層上截取拉伸試樣[10]，標距段尺寸為φ4 mm×20 mm，采用EDT-10型電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min-1?；w取樣方向為縱向，雖然包覆層較薄，但7075鋁合金鑄態組織為各向同性，故橫向取樣。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可見：復層鋁合金可分為包覆層、熔合線和7075-T651鋁合金基體，因受熱影響的程度不同，又可將7075-T651鋁合金基體分為熱影響Ⅰ區、熱影響Ⅱ區和熱影響Ⅲ區等3個區域，不同區域的顯微組織均主要由ɑ(Al)固溶體和析出相組成；包覆層為鑄態7075鋁合金，其組織為明顯的枝晶，組織分布均勻；熔合線處為細小致密的等軸晶，熔合線較窄，極大的過冷度使此處成為細晶區，在細小的等軸晶上生長出柱狀晶，大部分柱狀晶垂直于熔合線向內生長；熱影響Ⅱ區的晶粒比熱影響Ⅰ區的粗大，這是因為再結晶晶粒發生了長大；熱影響Ⅲ區的再結晶晶粒較細小，晶內析出相比熱影響Ⅱ區的密集；復層鋁合金中7075-T651鋁合金基體因受熱的影響，其晶粒尺寸比原始7075-T651鋁合金的粗大。

2.2 微觀形貌和微區成分

由圖4可見：復層鋁合金不同區域中大部分黑色組織為α(Al)，在包覆層、熔合線處和熱影響Ⅰ區中的白色鏈條狀和顆粒狀析出相主要分布在晶界及亞晶界中，少量分布在晶內，而熱影響Ⅱ區、熱影響Ⅲ區中在晶內出現白色大顆粒狀物質。

圖3 7075-T651/7075復層鋁合金不同區域的顯微組織Fig.3 Microstructures of different regions of 7075-T651/7075 clad aluminum alloy: (a) cross-section appearance; (b) covering layer;(c) fusion line; (d) heat affected zone I; (e) heat affected zone II and (f) heat affected zone III

由表2，結合圖4分析可知：復層鋁合金中白色析出相的成分與黑色α(Al)基體相的基本一致，但銅元素含量偏多。銅元素的析出可以提高GP區的穩定性，形成的T(Al6CuMg4)相對合金的強化效果起到一定作用。結合Al-Mg-Zn-Cu相圖[13]分析推測，復層鋁合金中的相主要為α(Al)、η(MgZn2)、η′(MgZn)和T(Al6CuMg4)相。

2.3 物相組成

圖4 7075-T651/7075復層鋁合金不同區域的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of different regions of 7075-T651/7075 clad aluminum alloy: (a) covering layer; (b) fusion line;(c) heat affected zone I; (d) heat affected zone II and (e) heat affected zone III

位置AlZnCuMgFeSi1535．839．71．400．1294．34．10．70．80．10337．25．955．51．10．10．2493．34．80．81．000572．86．818．51．800689．46．42．22．00．10716．63．579．10．600．2885．96．55．61．80．10925．44．368．91．000．41084．57．15．92．30．20

圖5 7075-T651/7075復層鋁合金不同區域的XRD譜Fig.5 XRD patterns of different regions of 7075-T651/7075clad aluminum alloy

圖6 復層鋁合金的洛氏硬度隨深度的變化曲線Fig.6 Curve of Rockwell hardness vs depth of clad aluminum alloy

2.4 截面硬度分布

由圖6可以看出，隨著距表面距離(深度)的增加，復層鋁合金的硬度先升高再降低(出現平穩的軟化現象)，隨后再升高。結合圖3分析可知：包覆層為7075鋁合金鑄態組織，硬度最低,約為39.0 HRA；熔合線處硬度約為46.5 HRA；熱影響Ⅰ區為強化區，硬度最高約為54.0 HRA，熱影響Ⅱ區為軟化區，硬度為41.5～43.0 HRA，熱影響Ⅲ區的硬度為48.0～50.0 HRA，低于原始7075-T651鋁合金的。鋁合金液的澆注溫度較高，極大的過冷度使熱影響I區形成過飽和固溶體，自然時效時析出不穩定的η′(MgZn)過渡強化相，導致硬度升高，且高于熔合線處的。軟化區受到的熱影響程度比強化區的低，過冷度小，析出少量η(MgZn2)相，并且不穩定的過渡強化相也會轉變為粗大的η(MgZn2)相，因此硬度降低。熱影響Ⅲ區所受熱量不足以使基體組織發生回熔，但使晶粒長大，因此硬度低于原始7075-T651鋁合金的。

2.5 硬度與抗拉強度的關系

在一定程度上，抗拉強度的高低可以反映復層鋁合金中包覆層和基體結合的好壞。熔合區的寬度較窄，宏觀上呈線狀，且大量試驗證明，復層鋁合金的拉伸斷口總是位于鑄態鋁合金包覆層中，故很難測得熔合區的抗拉強度。鋁合金的抗拉強度與硬度成正比，可利用該關系計算熔合線處的抗拉強度[14-15]。對試驗測得的復層鋁合金相同區域試樣的硬度和抗拉強度進行線性擬合，結果如圖7所示，擬合公式為

y=15.33x-338.46(2)

試驗測得鑄態7075鋁合金的抗拉強度為267.00 MPa，復層鋁合金中包覆層的硬度為39.0 HRA，代入式(2)得到包覆層的抗拉強度為259.41 MPa，接近于鑄態7075鋁合金的強度，故式(2)符合強度與硬度關系。將不同區域的硬度代入式(2)，得到熔合線處的抗拉強度為374.39 MPa，復層鋁合金中受熱影響較小的熱影響Ⅲ區的抗拉強度為412.71 MPa，比原始7075-T651鋁合金的降低了約27.1%。

圖7 7075-T651/7075復層鋁合金的硬度與抗拉強度的關系Fig.7 Relation between hardness and tensile strength of7075-T651/7075 clad aluminum alloy

2.6 耐磨性能

由表4可知，復層鋁合金不同區域按磨損率由大到小排序為熱影響Ⅰ區、熱影響Ⅲ區、熱影響Ⅱ區、包覆層。結合圖6分析可知，硬度越高，磨損率越低，耐磨性越好。

表3 7075-T651/7075復層鋁合金不同區域的磨損率Tab.3 Wear rates of different regions in 7075-T651/7075clad aluminum alloy

3 結 論

(1) 采用沖擊射流固液復合鑄造法制備的7075-T651/7075復層鋁合金由鑄態7075鋁合金包覆層、熔合線和7075-T651鋁合金基體組成，根據受熱影響的不同，基體又可細分成熱影響Ⅰ區、熱影響Ⅱ區和熱影響Ⅲ區；包覆層為枝晶組織，熔合線處為細等軸晶，不同熱影響區均為柱狀晶。

(2) 復層鋁合金中主要含有α(Al)、η(MgZn2)、η′(MgZn)和T(Al6CuMg4)等相；在熱影響Ⅰ區中晶內析出顆粒狀的η′(MgZn)過渡強化相和T(Al6CuMg4)相，該區硬度最高，為強化區；在熱影響Ⅱ區中晶內析出η(MgZn2)和少量的T(Al6CuMg4)相，該區硬度較低，為軟化區；受熱輸入影響較小的熱影響Ⅲ區仍保留著基體中的原始析出相η(MgZn2)。

(3) 7075-T651/7075復層鋁合金中，硬度越高的區域，其磨損率越低，抗拉強度越高；通過抗拉強度與硬度的關系，得到熔合線處的抗拉強度為374.39 MPa，高于包覆層處的，同時熔合線處的硬度和磨損率均處在包覆層的和基體的之間，說明復層鋁合金實現了良好的冶金結合。

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