熱處理參數(shù)對超高強鋁合金硬度的影響

李 恒，汪永紅，鄂孔元，鄧小利，李春紅

(重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶 沙坪壩 401331)

超高強鋁合金具有高的比強度和硬度［1］、易于加工、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點［2－3］，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并成為這個領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料之一［4－6］.現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展對鋁合金的綜合性能提出了更高的要求，開發(fā)各種新型熱處理工藝技術(shù)以提高鋁合金的綜合性能已成為現(xiàn)時一項很重要的內(nèi)容［7］.本文對超高強鋁合金的熱處理工藝進行研究，研究了不同的時效溫度、固溶時間、時效時間組合對超高強鋁合金硬度的影響作用［8－10］，并通過正交分析確定了該組合中最佳的熱處理方案，為進一步研究和開發(fā)超高強、高韌、高均勻鋁合金的生產(chǎn)工藝奠定基礎(chǔ)［11－12］.

1 實驗材料及方法

試樣經(jīng)過鑄造、均勻化處理后，擠壓成Φ10 mm的小棒材.試樣中的合金元素成分如表1所示.在天平上稱取14.160 mg試樣，擠壓后，利用差熱分析儀NETZSCHSTA409對其進行差熱分析，加熱最終溫度設(shè)置為700℃，加熱速度為10 Kmin.試驗結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，溫度達到465.2℃時，曲線開始出現(xiàn)波動，由此可知在465.2℃到終止溫度487.5℃的過程中熱穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生過燒現(xiàn)象，所以本試驗固溶溫度定為460℃，固溶時間分別為400、60、200 min，時效溫度分別為 130、150、170 ℃，時效時間分別為10、15、20 h.通過正交分析法設(shè)計實驗次數(shù)，具體實驗方案如表2.擠壓后的試樣和熱處理后的試樣分別在TH600數(shù)顯布氏硬度試驗機上進行硬度測量，壓頭直徑10 mm，試驗力1 500 N，每個試樣測試3次，求平均值.試樣經(jīng)磨拋處理后，用混合酸浸蝕，在日本奧林巴斯GX71金相顯微鏡上進行顯微組織觀察.

圖1 熱重分析曲線和差熱分析曲線

表1 鋁合金試樣的化學成分

表2 正交實驗設(shè)計方案

2 實驗結(jié)果及分析

對熱處理后的試樣進行布氏硬度測量，結(jié)果如表3(表中數(shù)據(jù)為對每個實驗數(shù)據(jù)測試3次后的結(jié)果取平均值)所示.從表3可知，經(jīng)過熱處理后的試樣硬度比擠壓后試樣的硬度大很多.由于實驗過程中存在環(huán)境、儀器、人為等因素，引起實驗誤差，因此對測得的實驗數(shù)據(jù)進行方差分析.結(jié)果如表4(其中A、B、C分別為時效時間、時效溫度、固溶時間，S誤為誤差因數(shù)，F(xiàn)值為各因數(shù)均方除以誤差均方)所示.

從分析結(jié)果可知，在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，時效溫度對硬度的影響較顯著，固溶時間、時效時間對硬度的影響不顯著，影響的大小順序為時效溫度、固溶時間、時效時間.對因素A、B和C分別計算出每一水平時的3次試驗的指標和以及平均指標，結(jié)果如表5所示.由表5中數(shù)據(jù)知，KA1=176.9，KA2=176.6，KA3=175.1，KB1=179.4，KB2=184.4，KB3=164.9 ，KC1=174.3，KC2=178.3，KC3=176.1(Kjm為第j列因素 m 水平所對應(yīng)的試驗指標和的平均值).故而極差RA=1.8，RB=19.5，RC=4.顯然 RA＞ RC＞ RB，所以 A 因素對7系鋁合金硬度影響最顯著，C因素次之，B因素最不明顯.最終確定最佳的熱處理工藝參數(shù)組合為:時效時間10 h，時效溫度150℃，固溶時間200 min.

表3 擠壓后和熱處理后的各試樣對應(yīng)的布氏硬度平均值

表4 各試驗因素對硬度影響的方差分析

表5 各試驗因素對應(yīng)的實驗指標值

圖2 不同方法處理后的顯微組織形貌

試樣的金相顯微形貌如圖2所示.試樣經(jīng)均勻化退火后，枝晶偏析消除，非平衡相溶解，溶質(zhì)的濃度逐漸均勻化［13］，如圖2(a).同時，均勻化退火可降低變形抗力，減少變形功消耗，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，均勻化退火可消除鑄錠殘余應(yīng)力，改善鑄錠的機械加工性能.擠壓后的試樣晶界消除［14］，金相組織密度變得比擠壓前高，如圖2(b).試樣經(jīng)固溶時效后晶內(nèi)析出細小的彌散相［15］，晶界分布著連續(xù)鏈狀相，如圖2(c、d).由于固溶強化和析出相的作用，合金的性能大大提高.

3 實驗結(jié)論

1)由熱重分析DTG和差熱分析DTA曲線可知鋁合金的固溶溫度應(yīng)控制在465.2℃之前，在465.2℃ ～487℃之間會發(fā)生過燒現(xiàn)象.

2)在固溶溫度為460℃，固溶時間為400、60、200 min，時效溫度為130、150、170 ℃，時效時間為10、15、20 h下，各參數(shù)對硬度的影響為:時效溫度最大，固溶時間次之，時效時間最低.最佳的熱處理方案為:時效時間10 h，時效溫度150℃，固溶時間200 min.

3)試樣經(jīng)均勻化退火后，枝晶偏析消除，經(jīng)擠壓后的試樣晶界被破壞，熱處理在晶內(nèi)附近分布有大量細小的第二相，晶界上共晶化合物基本上呈連續(xù)網(wǎng)狀分布。由于固溶強化和析出相的作用，合金的性能大大提高.

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