預時效處理對AlZnMgCu鋁合金自然時效和烘烤硬化行為的影響

徐向美, 王琪晨

(1. 煙臺理工學院 信息工程學院, 山東 煙臺 264005;2. 中集海洋工程研究院有限公司, 山東 煙臺 264670)

7×××系AlZnMgCu鋁合金,由于具有低密度、高比強度和比剛度,被廣泛應用于航空航天、軌道交通和海洋工程等多個領域[1-3]。在汽車工業領域,對于鋁合金的應用,目前主要集中于5×××系和6×××系,這兩個系列的鋁合金成形性較好,被大量應用在“四門兩蓋”等汽車內外覆蓋件領域,但是其強度較低,難以實現承力結構件的服役環境,未能充分發揮鋁合金的輕量化優勢[4-6]。隨著全球“節能減排”和“雙碳”目標的不斷推進,汽車工業領域的輕量化進程需要進一步推進,7×××系鋁合金的性能及應用逐漸成為研發的熱點。

前期對于7×××系鋁合金在結構件的實驗室研究和工業化應用,主要集中在航空航天領域,其對7×××系鋁合金的質量要求和加工流程與汽車工業界存在顯著不同。在航空航天領域,主要追求其原材料的高潔凈化和熱處理后零部件高的強度和疲勞性能,所以研究學者大多對其熔煉過程的鋁水凈化處理、合金元素的加入及收得率、人工時效制度對其微觀組織構成和性能的影響等方面進行了系統研究[7-9]。而在汽車工業領域,原材料后續需要進行沖壓成形等工藝,不單追求原材料高的強度,還需要保證成形性能,并且服役環境也與航空航天有著顯著的區別。

本文對一種7×××系AlZnMgCu鋁合金的自然時效硬化效應和預時效處理的影響進行了系統研究,測試了人工時效硬化響應和力學性能指標,旨在對7×××系鋁合金的工業化生產提供一定的數據支撐,助推其在汽車工業的應用。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用Al-7.05Zn-3.45Mg-1.95Cu-0.15Zr-0.15Fe(質量分數,%) 7×××系鋁合金。經真空爐熔煉后,在鑄錠取樣進行DSC測試,如圖1所示,可以發現存在472～483 ℃的吸熱反應區。因此選定均勻化溫度為450 ℃,保溫48 h;均勻化后的試樣經熱軋和冷軋至1.8 mm的薄板,隨后在460 ℃進行保溫30 min的固溶處理。鑄態組織和固溶處理后的組織如圖2所示。

圖1 試驗AlZnMgCu鋁合金的DSC曲線Fig.1 DSC curve of the tested AlZnMgCu aluminum alloy

圖2 試驗AlZnMgCu鋁合金的微觀組織(a)鑄態;(b)固溶態Fig.2 Microstructure of the tested AlZnMgCu aluminum alloy(a) as-cast; (b) solution treated

固溶處理后的試樣,分別進行如下熱處理試驗:①直接在室溫下進行自然時效1～12天;②立即進行預時效處理,預時效制度分別為在80、100和120 ℃時效10 min,隨后在室溫下分別進行1～12天的自然時效處理。①和②的自然時效后,進行180 ℃×20 min的人工時效處理(等效于汽車廠家的烘烤硬化過程)。

自然時效過程的試樣,每天用HV-1000 顯微維氏硬度計測試硬度,每個試樣測試9個點,去掉最大值和最小值后取平均值,測試載荷砝碼500 g,保持10 s。在CMT5105萬能拉伸試驗機測試拉伸性能,每種試樣測試3次,強度指標取平均值,拉伸速率為0.25 mm/min。試樣經 HBF4(4 mL)+H2O(200 mL)溶液腐蝕后,利用Axio Imager M2m蔡司顯微鏡觀察顯微組織。試樣經機械磨拋至50 μm左右后,利用15%高氯酸酒精溶液進行電解雙噴,隨后用JEM-2010F透射電鏡表征微觀組織結構。

2 試驗結果與討論

2.1 AlZnMgCu鋁合金的自然時效行為及預時效處理的影響

圖3為試驗AlZnMgCu鋁合金固溶處理后的自然時效效應及預時效處理的影響。由圖3可以看出,固溶處理后,自然時效過程中,試驗鋁合金的顯微硬度呈現逐步上升的趨勢。在1～5天的時效過程中,硬度的上升速率快,由58 HV0.5快速增加到106 HV0.5,增加了82.8%,說明在此階段,自然時效硬化效應明顯;在5～12天的自然時效過程中,硬度上升的速率變緩,由106 HV0.5提高到128 HV0.5,僅僅提高了20.8%,在此階段,自然時效硬化效應變得緩慢。經預時效處理后,AlZnMgCu鋁合金的顯微硬度均提高,且預時效溫度越高,初始硬度越大。80 ℃×10 min的預時效處理后,顯微硬度由58 HV0.5提高到62 HV0.5;而經100 ℃×10 min和120 ℃×10 min的預時效處理后,顯微硬度分別提高到64 HV0.5和67 HV0.5。雖然預時效處理提高了AlZnMgCu鋁合金的初始硬度,但在隨后的自然時效過程中,硬度增加趨勢卻都變得緩慢。1～5天的時效過程中,硬度分別提升了45.2%(80 ℃)、32.8%(100 ℃)和25.6%(120 ℃),且經歷12天的自然時效后,最終硬度也均小于固溶后直接自然時效的硬度,分別降低了8%(80 ℃)、20%(100 ℃)和24%(120 ℃)。由此可見,采用120 ℃保溫10 min的預時效處理,可以有效降低隨后室溫放置過程中的自然時效硬化現象。

圖3 自然時效及預時效對試驗AlZnMgCu鋁合金硬度的影響Fig.3 Influence of natural aging and pre-aging on hardness of the tested AlZnMgCu aluminum alloy

圖4為經120 ℃保溫10 min的預時效處理后,室溫下自然時效效應及對應的180 ℃×20 min下的硬度變化曲線,圖4(a)中兩條曲線之間的區域即為硬化增量區間,圖4(b)為具體的硬度增量值。可以看出,自然時效硬化效應,在一定程度上消耗了AlZnMgCu鋁合金內的固溶合金原子,降低了人工時效處理的硬化效應。自然時效初期(0～5天),硬化增量在26～39 HV0.5的范圍變化,有50%的波動,波動較大;自然時效中后期(6～12天),硬化增量在22～26 HV0.5的范圍變化,僅有18%的波動范圍,波動較小。

圖4 試驗AlZnMgCu鋁合金烘烤前后硬度變化(a)及烘烤硬化區間(b)Fig.4 Evolution of micro-hardness(a) of the tested AlZnMgCu aluminum alloy before and after artificial aging and the bake hardening(BH) value(b)

圖5為固溶+自然時效處理試樣和固溶+預時效(120 ℃×10 min)+自然時效處理試樣的強度指標及經180 ℃×20 min的人工時效處理引起的強度指標的變化。由圖5中可以看出,對于固溶處理后直接進行自然時效的試樣,其屈服強度和抗拉強度分別為295 MPa和425 MPa;而預時效處理后進行自然時效的試樣,則屈服強度和抗拉強度分別為295 MPa和465 MPa,二者并無明顯的區別。但是經過180 ℃×20 min的人工時效處理后,自然時效試樣的屈服強度和抗拉強度分別降低了38 MPa和65 MPa,降低了12.9%和15.3%;而預時效處理后的試樣屈服強度和抗拉強度分別提高了165 MPa和48 MPa,提高了55.9%和11.2%。兩種工藝制度形成了明顯的對比,預時效處理過程AlZnMgCu鋁合金內部微觀組織結構的變化,是引起其人工時效過程力學性能變化和硬化響應區別的本質因素[10-11]。

圖5 試驗AlZnMgCu鋁合金烘烤前后強度變化Fig.5 Change of strength of the tested AlZnMgCu aluminum alloy before and after artificial aging

2.2 預時效處理對AlZnMgCu鋁合金微觀組織的影響

已有研究發現,7000系AlZnMgCu鋁合金在熱處理過程中合金原子的演變規律為SSSS→GP區(Cluster)→ η′→ η(MgZn2),GP區和η′過渡相與α-Al基體呈共格或者半共格關系,引起晶格畸變,起到強化基體的作用;而η(MgZn2)相,與基體呈非共格關系,且尺寸較大,對AlZnMgCu鋁合金的力學性能不利[12-13]。<100>Al方向為觀察和表征GP區和η′過渡相的最佳取向,圖6為不同熱處理狀態下的精細TEM組織和選區電子衍射(SAED)花樣。固溶+自然時效處理后,基體內GP區尺寸大小不一,且分布不均勻,如圖6(a)所示;而經預時效處理的試樣,在經歷自然時效后,GP區尺寸較為平均,分布均勻,由SAED圖可以看出,此時的GP區與α-Al基體呈共格關系,如圖6(c)。經過180 ℃×20 min的人工時效處理后,固溶+自然時效后的試樣基體內η′粒子尺寸較大,且分布不均勻,這是由于在自然時效過程中形成的GP區和η′粒子尺寸大小不一,在人工時效過程中,大于臨界尺寸的GP區和η′粒子繼續長大,而小于臨界尺寸的GP區和η′粒子則發生回溶現象,如圖6(b)所示;而經過預時效處理的試樣,自然時效+人工時效后,η′粒子尺寸均勻且彌散分布,與α-Al基體呈半共格關系,起到了明顯的時效硬化作用。

圖6 不同處理AlZnMgCu鋁合金的TEM精細形貌及選區電子衍射(SAED)花樣(a)自然時效;(b)自然時效+人工時效;(c)預時效+自然時效;(d, f)預時效+自然時效+人工時效Fig.6 TEM images and selected area electron diffraction(SAED) patterns of the AlZnMgCu aluminum alloy under different treatments(a) natural aging; (b) natural aging+artificial aging; (c) pre-aging+natural aging; (d) pre-aging+natural aging+artificial aging

3 結論

1) 預時效處理提高了AlZnMgCu鋁合金的初始硬度,但在隨后的自然時效過程中,硬度增加趨勢都變得緩慢。經歷12天的自然時效后,最終硬度也均小于固溶后直接自然時效的硬度,分別降低了8%(80 ℃)、20%(100 ℃)和24%(120 ℃)。

2) 自然時效硬化效應,在一定程度上消耗了AlZnMgCu鋁合金內的固溶合金原子,降低了人工時效處理的硬化效應。預時效處理后的試樣,經自然時效和180 ℃×20 min的人工時效處理后,屈服強度和抗拉強度分別增大了165 MPa和48 MPa,分別提高了55.9%和11.2%。

3) 固溶+自然時效處理后,基體內GP區尺寸大小不一,分布不均;而經預時效處理后,GP區尺寸較為平均,分布均勻,與α-Al基體呈共格關系。預時效+自然時效+人工時效后,η′粒子尺寸均勻且彌散分布,與α-Al基體呈半共格關系,起到了明顯的時效硬化作用。