7A04超高強鋁合金熱處理工藝研究

董志修 姜春茂 趙廣軍 郭月秋 錢曉亮 徐宇航

（北方華安工業集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾，161046）

0 引言

超高強鋁合金作為一種重要的結構材料，應用日益廣泛，特別是在航空、航天及軍工領域一直都發揮著重要的作用，不僅廣泛應用在飛機、火箭、導彈上，而且也大量應用在常規炮彈兵器上，以滿足減輕結構重量，提高承載能力及戰斗力的要求。隨著科學技術和國防工業的迅速發展，盡管有各種新型材料不斷出現，但鋁合金材料仍是航空、航天及軍工領域重要的基本材料之一，尤其是超高強鋁合金，由于其具有比強度高、加工性能及工藝性能良好等特點，在航空、航天及軍工領域更是占有十分重要的地位。隨著航空航天和軍工工業的迅猛發展，對材料性能提出了更高的要求，因此超高強度鋁合金的熱處理工藝研究也在不斷深入。

常規炮彈兵器上的鋁合金材料主要采用7A04超高強鋁合金，7A04鋁合金是一種Al-Zn-Mn-Cu系熱處理強化合金，合金強度高于硬鋁，在鋁中加入鋅和鎂（Mg），形成強化相MgZn2，對合金產生明顯的強化作用。并明顯提高抗拉強度、屈服強度及應力腐蝕抗開裂作用。Mn能阻止鋁合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，并能顯著細化再結晶晶粒，主要是通過MnAl6化合物彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用。Mg鎂對鋁的強化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強度大約升高34MPa。Cr在鋁中形成（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金的韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。Cu在鋁合金中固溶進銅（Cu），機械性能可以提高，切削性能變好，不過耐蝕性降低。該合金的特點是非比例延伸強度接近于抗拉強度，也就是屈強比高，塑性韌性較低，對應力作用的集中敏感性強，特別是在承受振動載荷和重復靜載荷的情況下，尤為明顯，所以零件的設計、制造工藝和裝配工藝，都需要嚴格避免應力集中和形成附加應力因素；該合金的耐熱性較差，使用溫度高于125℃時會急劇軟化。本文著重研究了不同的熱處理制度對對7A04超高強鋁合金非比例延伸強度和斷后伸長率的影響，確定了更合適的熱處理工藝參數，在滿足零件性能要求的前提下，大幅度提高生產效率。

表1 化學成分

表2 溫度容差和控溫精度

1 原材料

1.1 原材料材料：7A04

原材料的規格為φ150擠壓圓棒，原廠爐批號為E1880567，原廠的化學成分見表1，化學成分符合國家標準標準要求，原材料進廠后進行100%超聲波探傷檢驗及化學成分檢驗，進廠檢驗均滿足標準要求。

2 熱處理設備和熱處理制度的選用

2.1 熱處理設備的選用

結合本公司熱處理車間實際情況，固溶處理選用RJJ-75-6井式電阻爐，冷卻裝置為自制淬火冷卻水槽，時效處理選用時效箱，上下料采用0.5t的單軌吊車，井式爐和時效箱的溫度容差和儀表控溫精度見表2。

2.2 熱處理制度的選用

由于固溶加熱溫度和保溫時間對鋁合金的過飽和度和晶粒大小的影響較明顯，保溫溫度過低或保溫時間太短，導致固溶不充分，后續時效強化效應下降；溫度稍高或保溫時間過長則導致晶粒長大，從而導致鋁合金的強度下降，結合我公司近幾年的生產實際情況，在原有熱處理工藝的基礎上，通過提高固溶加熱溫度和降低保溫時間，擬定了單一的固溶處理參數；然后主要是通過改變時效的加熱溫度和保溫時間，以求獲得較理想的力學性能，制定了如下四種熱處理制度進行研究分析。

制度一：475℃/90min/水淬+120℃/15h空冷

制度二：475℃/90min/水淬+140℃/15h空冷

制度三：475℃/90min/水淬+120℃/3h+160℃/3h空冷

制度四：475℃/90min/水淬+120℃/3h+180℃/3h空冷

3 熱處理及性能試驗

3.1 零件生產流程

原材料進廠驗收→下料→造型→擠壓→固溶處理→淬火冷卻→時效處理→性能試驗→機加→表面處理→裝配。

3.2 熱處理

每種熱處理制度各選擇10件零件，用鋼字頭在零件底部打上制度編號。熱處理前對設備、儀器儀表、工裝及輔助材料等進行檢查校對，設備及儀器儀表均滿足要求，工裝及輔助材料均準備齊全；按四種熱處理制度分別進行熱處理，熱處理操作要求：人工將零件分散擺放在加熱框內，零件口部朝下，井式電阻爐爐溫升至475℃后，用單軌吊車將已擺放零件的加熱框吊至井式電阻爐內進行固溶加熱，保溫時間從控溫儀表達到設定溫度后開始計算，并記錄入爐時間、到溫時間、出爐時間，每20分鐘記錄一次井式電阻爐爐溫；固溶加熱保溫90min后及時快速出爐進行淬火冷卻，淬火冷卻轉移時間控制在15s～20s之間，冷卻介質采用循環自來水，水溫為常溫，加熱框連同零件一起在淬火冷卻水槽內上下移動不少于5次，移動時嚴禁露出水面，冷卻時間≥8min，要求淬火冷卻時要有足夠快的冷卻速度和盡可能短的轉移時間，否則室溫拉伸性能的強度會顯著下降；淬火冷卻后即進行時效處理，人工將零件分散擺放在時效框內，經時效小車進入時效箱進行時效處理，時效保溫時間從控溫儀表達到設定溫度后開始計算，并記錄入爐時間、到溫時間、出爐時間，每20min記錄一次時效箱爐溫。

表3 力學性能試驗結果

3.3 性能試驗

時效處理后對四種熱處理制度隨即抽取各兩件進行力學性能試驗，按照國家標準GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，把力學性能試樣加工成φ8五倍拉力短試樣，在萬能拉伸試驗機上進行力學性能拉伸試驗，力學性能試驗結果見表3。

4 試驗結果分析

力學性能試驗結果表明：采用固溶處理475℃/90min/水淬、時效120℃/15h的熱處理制度（制度一），可以獲得較高的非比例延伸強度和斷后伸長率，但是時效時間太長，導致生產率很低，熱處理成本較高，這種制度適合于對非比例延伸強度和斷后伸長率要求都較高的零件；采用固溶處理475℃/90min/水淬、時效140℃/12h的熱處理制度（制度二），可以獲得更高的非比例延伸強度，但斷后伸長率降低較多，同樣存在生產率低的問題，這種制度適合于對非比例延伸強度要求更高的零件；采用固溶處理475℃/90min/水淬、分級時效120℃/3h+180℃/3h的熱處理制度（制度四），相對于熱處理制度三，零件的非比例延伸強度和斷后伸長率均未能得到提高，反而有輕微降低，且分級時效溫度較熱處理制度三提高20℃，溫度的提高勢必造成能耗的提高，得不償失；采用固溶處理475℃/90min/水淬、分級時效120℃/3h+160℃/3h的熱處理制度，具有良好的綜合性能和較高的生產效率，適用于本廠大部分7A04超高強鋁合金的零件的熱處理。