固溶處理對7020鋁合金組織及性能的影響

程雪婷，程仁寨

（1.煙臺南山學院, 山東 煙臺 265700；2.山東南山鋁業(yè)股份有限公司, 山東 煙臺 265700）

7020鋁合金固溶處理是為了使Zn、Mg和Cu等元素溶入鋁基體中[1]，獲得較大的過飽和度，從而有利于合金的時效強化過程。影響固溶處理的兩個重要參數(shù)為固溶溫度和固溶時間。提高固溶溫度能夠促使更多的初生相溶解，但易導致晶界熔化、晶粒異常長大等危害；降低固溶溫度將削弱固溶效果，從而降低時效強化。固溶處理可為后續(xù)時效處理打下較好的基礎，促進時效合金形成細小彌散的析出相[2，3]，從而獲得較好的強化效果。目前，對于7xxx系鋁合金熱處理的研究多在淬火和時效處理，研究不同淬火處理和時效制度對合金組織和性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為應用于軌道列車車體7020鋁合金擠壓型材12 mm厚肋板，型材截面見圖1，在型材不同位置取樣，制成標準試驗樣本。試樣在HXSG2-1200箱式電阻爐進行固溶處理，固溶工藝見表1。

表1 固溶工藝實驗方案

按照GB/T3246.1-2000對制備試樣，采用Leica DMI3000金相顯微鏡、Sirion200掃描電鏡、TECNAIG220型透射電鏡進行觀察合金的顯微組織結(jié)構(gòu)，第二相大小、形貌和分布，同時觀察合金再結(jié)晶晶界形貌等。按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗》進行硬度測試，采用310HVS-5型維氏硬度計，每個樣品取5個點并求平均值。

圖1 鋁合金型材截面

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

隨著固溶溫度升高，合金組織中晶界較為明顯，消除了枝晶偏析，合金發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶，經(jīng)450℃固溶處理后，晶粒基本保持纖維狀；晶內(nèi)有彌散分布的新相產(chǎn)生。固溶溫度升高后，合金發(fā)生再結(jié)晶程度提高，部分再結(jié)晶組織的晶粒，由云片狀向轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀，晶界更加明顯；經(jīng)470℃固溶處理后，長條狀晶粒較少，等軸晶明顯增多，呈現(xiàn)典型再結(jié)晶特征；當固溶溫度大于480℃時，高溫下二次相可以充分溶解在鋁基體中，在水淬后形成過飽和的固溶體觀察到大量等軸晶粒，表明合金發(fā)生了充分再結(jié)晶；繼續(xù)升高固溶溫度至490℃，鋁基體中可溶析出相粒子溶解更充分，合金在高溫固溶時基本都發(fā)生了完全再結(jié)晶，形成了等軸特征的再結(jié)晶晶粒，但組織上出現(xiàn)少量的球形孔洞，表明實驗合金開始過燒。再結(jié)晶晶粒長大，有大量析出相聚集在一起。

圖2為合金經(jīng)不同雙級固溶處理后的SEM像。經(jīng)雙級固溶后，顯微組織變化不大，細小的析出相粒子基本都固溶到鋁基體中，只剩下粗大的難溶的析出相粒子。合金組織主要由η(MgZn2)、S(Al2CuMg)相、含F(xiàn)e雜質(zhì)相和鋁基體組成。在較低溫度，易溶相η(MgZn2)開始溶解，隨著固溶溫度提高，難溶相S(Al2CuMg)相逐漸減少，含F(xiàn)e雜質(zhì)相幾乎不變。當固溶溫度升至480℃時，η(MgZn2)相完全溶入鋁基體，S(Al2CuMg)相數(shù)量明顯減少，也沒有出現(xiàn)過燒組織。這說明7020鋁合金的固溶溫度范圍較寬。固溶過程中溶解的主要是含Mg和Zn的相，白色相主要為含F(xiàn)e、Si、Mn、Zn的難熔雜質(zhì)相，在固溶過程中保留下來。

雙級固溶可以在提高溶質(zhì)原子固溶程度的同時降低再結(jié)晶程度。較低的第一級固溶溫度可以使合金中的易溶相溶入基體，同時合金僅發(fā)生回復，消耗了再結(jié)晶驅(qū)動力，溶入基體的溶質(zhì)原子對晶界的運動有一定的阻礙作用，也會抑制在較高溫度第二級固溶發(fā)生再結(jié)晶。

此外，溶質(zhì)原子會提高合金的固相線溫度，從而提高合金的過燒溫度，可以使第二級固溶在較高溫度進行而不發(fā)生過燒。

圖2 不同雙級固溶溫度下合金的SEM像

2.2 硬度

圖3 為不同固溶處理后，隨著單級固溶溫度的升高，合金的顯微硬度值先升高再降低，當固溶溫度達到470℃時，合金的顯微硬度升至最高，為191 HV1。繼續(xù)升高固溶溫度，合金的顯微硬度呈下降趨勢。雙級固溶處理后，合金平均顯微硬度明顯單級固溶，均高于191 HV1，合金經(jīng)(450℃,0.5 h)+(480℃,0.5 h)雙級固溶處理后，硬度達到最大值，為204HV1，可見，第二級固溶溫度對合金的硬度影響較大。

圖3 不同固溶工藝處理后合金的顯微硬度

3 結(jié)論

（1）隨著固溶溫度升高，合金組織中晶界較為明顯，二次相可以充分溶解在鋁基體中，合金發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶，并開始出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，而雙級固溶處理可有效抑制合金再結(jié)晶，不發(fā)生過燒。

（2）隨著單級固溶溫度的升高，合金的顯微硬度值先升高再降低，合金的顯微硬度最高為191 HV1。雙級固溶處理后，合金平均顯微硬度明顯單級固溶，雙級固溶工藝為(450℃,0.5 h)+(480℃,0.5 h)，對再結(jié)晶抑制效果最佳，顯微硬度最高為204 HV1。