Cu 含量對7003鋁合金擠壓材組織與性能的影響

林玉金，胡權，杜勛貴，周楠

（1佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司，廣東 佛山 528100；2廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州510651）

鋁合金具有密度小、耐腐蝕、可回收利用等優點，在交通運輸工具上的應用日益擴大，采用高強度鋁合金制造大型結構件是實現交通運輸工具輕量化的有效措施[1-3]。7003鋁合金是可熱處理強化的Al-Zn-Mg系鋁合金，具有優良的焊接性能、抗彈性能和較好的擠壓加工性能[4]。但7003鋁合金的強度仍然偏低，難以滿足交通運輸工具大型結構件的制造要求。Al-Zn-Mg-Cu系合金屬于超高強度鋁合金，如7050、7075和7085合金等，但這些牌號的鋁合金由于Zn、Mg含量較高，特別是加入了大量的Cu元素，雖然提高了合金的強度和抗應力腐蝕性能，但也損害了合金的焊接性能，無法滿足大型結構件的焊接工藝要求[5]。為了滿足交通運輸工具大型結構件對高強可焊鋁合金的需求，本文在7003鋁合金基礎上添加微量的Cu元素，研究了Cu含量對7003鋁合金擠壓材組織與性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為7003鋁合金，采用鋁錠（99.85%，質量百分比，下同）、鎂錠（99.95%）、鋅錠（99.9%）熔煉配制，經SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，7003鋁合金的化學成分為：Zn 6.01%，Mg 1.12%，Si 0.075%，Fe 0.089%，余量為Al。實驗設備為200kg熔鋁爐和半連續鑄造機。在熔鋁爐內于760℃加熱熔化7003鋁合金，分別添加0、1%、2%和3%的Al-20Cu合金（對應7003鋁合金中的Cu含量分別0、0.2%、0.4%和0.6%），再加入0.2%的Al-5Ti-1B合金桿進行晶粒細化處理，經精煉除氣除渣和靜置保溫30分鐘后，將鋁合金液半連續鑄造成直徑100mm的7003鋁合金圓棒。

在25kW箱式電阻爐內將7003鋁合金圓棒加熱至420℃保溫2小時，再升溫至 460℃繼續保溫24小時進行均勻化處理，然后用水霧強制冷至室溫。將鋁合金圓棒表面去皮后加熱到420℃，在630噸擠壓機上擠壓成寬60mm、厚6mm的7003鋁合金板材，擠壓模具溫度為400℃，擠壓比為20∶1，擠壓速度為1.2m/min。將鋁合金擠壓板材在470℃固溶處理2小時，水淬后，在130℃人工時效24小時，最后隨爐冷卻到室溫。

在7003鋁合金圓棒和擠壓板材上分別取樣，試樣經磨制、拋光后，用2.5%HNO3+1.5%HCL+1%HF（體積百分數）的混合酸水溶液腐蝕，在LEICA-WCW3000金相顯微鏡上進行觀察。分別用JEOLJXA-8100型掃描電鏡電子探針和DMAX-NYP型X-射線衍射儀對擠壓板材試樣的物相構成進行分析。在固溶時效處理后的鋁合金擠壓板材上沿擠壓方向取樣并加工拉伸試樣，在WSC200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速率2mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸（單位：毫米）

圖2 不同Cu含量的7003鋁合金圓棒的顯微組織（a）0%，（b）0.2%，（c）0.4%，（d）0.6%

圖3 不同Cu含量的7003鋁合金擠壓材的顯微組織（a）0%，（b）0.2%，（c）0.4%，（d）0.6%

圖4 7003鋁合金擠壓材的X射線衍射圖譜

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖2為7003鋁合金圓棒的顯微組織。從圖2可看到，7003鋁合金圓棒的顯微組織由α-Al枝晶晶粒和晶間共晶相組成。7003鋁合金半連續鑄造的凝固過程屬于非平衡凝固過程，當合金液冷卻到液相線溫度以下時，首先從合金液中析出α-Al晶核，然后Al原子不斷向α-Al晶核表面沉積，α-Al晶核開始以樹枝狀方式不斷凝固長大成α-Al枝晶晶粒。隨著合金液的持續凝固，液相成分發生變化，固液界面前沿的溶質元素Zn、Mg、Cu不斷向殘留液相擴散富集，并在液相和固相內造成成分梯度，引起擴散現象和溶質再分配。當溫度降低到合金的共晶轉變溫度時，α-Al枝晶晶間的液相發生共晶轉變，在晶界上逐漸析出由MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg相共同構成的多元非平衡共晶組織[6，7]。從圖2可看到，未加Cu元素時，7003鋁合金圓棒的α-Al枝晶尺寸較為粗大，由于晶間共晶組織的數量相對較少，導致晶界較為細小且不連續，如圖2（a）所示。隨著Cu含量的增加，7003鋁合金圓棒的α-Al枝晶尺寸略有減小，由于晶間共晶組織的數量增多，晶間變寬并形成連續網狀，如圖2（b）-（d）所示。

圖3為7003鋁合金擠壓材的顯微組織。7003鋁合金圓棒經過高溫均勻化處理，部分共晶相MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg得到溶解，Zn、Mg、Cu元素溶入到鋁基體中，降低枝晶成分的微觀偏析，并消除鑄棒的殘余應力，從而可以提高合金的塑性和擠壓性能[8]。從圖3可看到，7003鋁合金圓棒經均勻化處理和擠壓成形后，α-Al枝晶和晶間連續網狀共晶組織已消失，未完全溶解的共晶相MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg彌散分布在鋁基體上。隨著Cu含量的增加，鋁基體上分布的彌散相的數量也越多。

圖4為Cu含量為0.6%的7003鋁合金擠壓材的X射線衍射圖譜（XRD譜）。XRD譜顯示，7003鋁合金擠壓材的顯微組織由α-Al、MgZn2和Al2CuMg相組成，但未發現AlZnMgCu四元非平衡共晶相的衍射峰。文獻[6]認為AlZnMgCu四元非平衡共晶相具有MgZn2的晶體結構，XRD譜中MgZn2相對應位置的衍射峰同時也包括了AlZnMgCu相的衍射峰。圖5為Cu含量為0.6%的7003鋁合金擠壓材的掃描電鏡顯微組織圖，根據掃描電鏡電子探針分析結果，條帶狀物為AlZnMgCu相，粗大塊狀物為Al2CuMg相，如圖5（a）所示，而彌散分布在α-Al基體上的細小片狀物為MgZn2相，如圖5（b）所示。

圖5 7003鋁合金擠壓材的掃描電鏡顯微組織

圖6 7003鋁合金擠壓材的拉伸力學性能隨Cu含量的變化曲線

2.2 力學性能

圖6為固溶時效處理后7003鋁合金擠壓材的拉伸力學性能隨Cu含量的變化曲線。從圖6可看到，隨著Cu含量從0逐漸增加到0.6%，7003鋁合金擠壓材的抗拉強度逐漸升高，但上升速率逐漸下降，伸長率先逐漸升高，當Cu含量超過0.4%時，伸長率開始下降。未添加Cu元素的7003鋁合金擠壓材的抗拉強度為387.2MPa，伸長率為14.5%。當Cu含量增加到0.6%時，7003鋁合金擠壓材的抗拉強度為439.4MPa，伸長率為15.9%，抗拉強度和伸長率分別提高了13.5%和9.7%。

7003鋁合金是時效強化型合金，通過固溶處理，合金元素Zn、Mg溶入到鋁基體中形成過飽和固溶體，并通過淬火將固溶體組織穩定下來[9]。在隨后的時效過程中，溶質原子有一個脫溶析出過程，其脫溶序列為GP區→η'相→η相。GP區是Mg、Zn原子在Al基體中某一晶面上偏聚形成的原子偏聚區，與Al基體完全共格，對合金能起到強化作用，但強化作用沒有η'相明顯。η'相是MgZn2的過渡相，與鋁基體呈半共格關系，在合金塑性變形時，能強烈阻礙位錯運動，增強合金的強度。η相是MgZn2的平衡相，尺寸粗大且與鋁基體呈非共格關系，基本沒有強化效果[10]。由此可見，Al-Zn-Mg合金的時效強化效果主要取決于GP區和η'相。但在7003鋁合金基礎上添加Cu元素，Cu元素本身可以固溶到鋁基體中起到固溶強化作用，提高7003鋁合金的強度。另外，添加Cu元素還可以提高MgZn2沉淀相的彌散度，進一步提高7003鋁合金的強度。從圖6可看到，在7003鋁合金基礎上添加Cu元素可顯著提高合金的強度，并且隨著Cu含量的增加，7003鋁合金擠壓材的抗拉強度逐漸升高。但隨著Cu含量的增加，也會增加Al2CuMg和Al7Cu2Fe金屬間化合物的生成，金屬間化合物都是脆性相[11]，其塑性變形時與鋁基體的變化速率不一致，容易導致界面處產生應力集中，成為斷裂的裂紋源和裂紋擴展方向，反而使合金的塑性下降。基體上。

（2）隨著Cu含量的增加，7003鋁合金擠壓材的抗拉強度逐漸升高，但上升速率逐漸下降，伸長率先升高，當Cu含量超過0.4%時，伸長率開始下降。

（3）當Cu含量為0.6%時，7003鋁合金擠壓材的抗拉強度為439.4MPa，伸長率為15.9%，與未添加Cu元素相比，擠壓材的抗拉強度和伸長率分別提高了13.5%和9.7%。

3 結論

（1）7003鋁合金鑄態組織由α-Al枝晶和晶間非平衡共晶相組成，經均勻化處理和擠壓后，共晶相彌散分布在鋁

[1]吳海旭，楊麗，王周兵，等． 我國軌道交通車輛用鋁型材發展現狀[J]．輕合金加工技術，2014，42（1）：18-20．

[2]李平，孫振宇，王祝堂． 鋁合金軌道車輛結構及合金性能[J]．輕合金加工技術，2012，40（7）：1-12．

[3]馮林威，王春海，齊金星． 軌道交通用大型特種鋁型材生產工藝研究[J]． 世界有色金屬，2016，（2）：25-27．

[4]張鈺． 淺談Al-Zn-Mg系合金[J]． 鋁加工，2014，（2）：49-53．

[5]甘衛平，范洪濤，許可勤． Al-Zn-Mg-Cu系高強鋁合金研究進展[J]．鋁加工，2003，（3）：6-11．

[6]滕海濤，熊柏青，張永安，等． 高Zn含量Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金的凝固態顯微組織[J]． 中國有色金屬學報，2015，25（4）：852-865．

[7]舒文祥，侯隴剛，劉君城，等． 先進高強韌Al-Zn-Mg-Cu合金凝固和均勻化組織及相構成[J]． 北京科技大學學報，2014，36（11）：1534-1539．

[8]袁新雄，尹登峰，余鑫祥，等． Al-Zn-Mg-Cu-Zr-0．12Ce合金鑄錠的均勻化退火及組織演變[J]． 中國有色金屬學報，2017，27（3）：459-467．

[9]肖艷蘋，萬里，李創，等． 固溶處理對Al-Zn-Mg-Cu合金顯微組織的影響[J]． 鋁加工，2017，（4）：10-15．

[10]夏朝峰，王良龍，陳思悅，等． Al-Zn-Mg-Cu合金時效析出相的研究[J]． 材料熱處理學報，2011，34（S）：79-82．

[11]喻征，趙曉東，李飛，等． 鑄態Al-Zn-Mg-Cu高強鋁合金熱拉伸力學性能及斷裂行為[J]． 太原科技大學學報，2015，36（4）：294-299．