7059鋁合金熱處理工藝及力學(xué)性能研究*

康 永

(榆林市瀚霆化工技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 陜西 榆林 718100)

7059系鋁合金是一種以鋅為主，添加了少量鎂、銅的鋁合金，它具有強(qiáng)度高、比重小、熱加工性能好等特點(diǎn)[1～2]。7059系鋁合金憑借著出眾的力學(xué)性能，一舉成為廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域不可或缺的結(jié)構(gòu)材料之一，大量被應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮，機(jī)翼，艙壁等領(lǐng)域。同時(shí)，現(xiàn)代汽車工業(yè)的快速發(fā)展，使7059系鋁合金在汽車輪轂中的使用成為不可或缺的材料。因此，目前對(duì)于7059系鋁合金性能的優(yōu)化已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。

提高材料的力學(xué)性能的方法有改善合金成分、熱處理、加工硬化等方法[3～4]。改善合金成分通常的做法是向其中加入鈰、銣、鉺等稀土元素，以改善其晶粒大小及析出物形態(tài)，從而提高材料的性能[5～6]。加工硬化是對(duì)材料施加外力，使其表面產(chǎn)生塑性變形，從而使材料的硬度得到提高，但韌性會(huì)下降[7]。熱處理的方法是通過(guò)將材料加熱、保溫、冷卻使其內(nèi)部組織形態(tài)發(fā)生改變，借此來(lái)提高材料的綜合性能[8]。

筆者將著手研究利用熱處理的手段提高7059鋁合金的力學(xué)性能，獲得一種較佳的7059鋁合金熱處理工藝。研究7059鋁合金熱處理工藝，一方面可以彌補(bǔ)對(duì)7059鋁合金研究的空缺，另一方面也可以完成大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃的項(xiàng)目。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

決定設(shè)計(jì)七因素三水平的正交試驗(yàn)，在因素A固溶溫度下設(shè)置3個(gè)水平，分別為450 ℃、460 ℃、470 ℃；在因素B固溶時(shí)間下設(shè)置3個(gè)水平，分別為1 h、2 h、3 h；在因素C一級(jí)時(shí)效溫度下設(shè)置3個(gè)水平，分別為100 ℃、110 ℃、120 ℃；在因素D一級(jí)時(shí)效時(shí)間下設(shè)置3個(gè)水平，分別為8 h、10 h、12 h；在因素E二級(jí)時(shí)效溫度下設(shè)置3個(gè)水平，分別為0 ℃、155 ℃、165 ℃；在因素F二級(jí)時(shí)效時(shí)間下設(shè)置3個(gè)水平，分別為8 h、10 h、12 h；因素G為空列，正交試驗(yàn)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)表

設(shè)置因素G空列是為了判斷隨機(jī)誤差對(duì)試驗(yàn)的影響，倘若空列對(duì)試驗(yàn)結(jié)果超過(guò)另一因素，則說(shuō)明影響因子低于空列的那個(gè)因素，對(duì)于試驗(yàn)的結(jié)果無(wú)影響或者試驗(yàn)過(guò)程中出了其它問(wèn)題，本次試驗(yàn)結(jié)果是無(wú)效的。在因素E二級(jí)時(shí)效溫度的水平設(shè)置時(shí)加入0 ℃是為了考查單級(jí)時(shí)效和雙級(jí)時(shí)效對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，當(dāng)因素E為0 ℃時(shí)，認(rèn)為合金的熱處理工藝為固溶和單級(jí)時(shí)效，而當(dāng)因素E不為0 ℃時(shí)，則認(rèn)為合金的熱處理工藝為固溶和雙級(jí)時(shí)效。由于本次試驗(yàn)?zāi)康脑谟讷@得一種較佳的7059鋁合金熱處理工藝，故選擇硬度作為正交試驗(yàn)的指標(biāo)。

1.2 正交試驗(yàn)的熱處理

在固溶處理前，需要對(duì)熱擠壓得到的鋁棒進(jìn)行加工。經(jīng)過(guò)擠壓后所獲得的鋁合金棒材帶有一定的弧度，需要通過(guò)一些手段對(duì)其進(jìn)行矯直，然后才能進(jìn)行下一步加工，故先對(duì)其進(jìn)行矯直。矯直后的鋁棒需要切割成小短棒進(jìn)行正交試驗(yàn)，由于7059鋁合金屬于超硬鋁，而且接下來(lái)的試驗(yàn)需要對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試，需要兩端平行，故采用線切割的方法對(duì)鋁合金棒材進(jìn)行加工，將其切割成19個(gè)15 mm×15 mm小圓柱并對(duì)其按照正交試驗(yàn)表標(biāo)1-18號(hào)，剩余的一個(gè)標(biāo)記為0號(hào)不做熱處理。

合金的固溶處理采用的是南京寶都儀器有限公司生產(chǎn)的SX2-4-10熱處理爐，工作尺寸為300 mm×200 mm×120 mm，額定電壓為220 V，功率為4 KW。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，減少能源消耗，采取分批從熱處理爐中取件的方法來(lái)進(jìn)行熱處理，即將相同固溶溫度的試樣放入同一熱處理爐中，當(dāng)固溶時(shí)間達(dá)到1 h時(shí)，打開(kāi)爐門，將該溫度下固溶1 h的試樣迅速取出后關(guān)閉爐門繼續(xù)進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的固溶處理。為了方便取件，固溶處理時(shí)試樣在爐內(nèi)的擺放順序如表2所示。

表2 固溶處理時(shí)試樣在爐內(nèi)的擺放順序

表3 一級(jí)時(shí)效處理時(shí)試樣在爐內(nèi)的擺放順序

每次從爐中取件后迅速將試樣浸入水中進(jìn)行淬火，注意淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間要盡可能少，最好不要超過(guò)5 s。

在對(duì)合金的固溶處理完成后，接下來(lái)要做的便是進(jìn)行時(shí)效處理。時(shí)效處理依舊使用的是南京寶都儀器有限公司生產(chǎn)的SX2-4-10熱處理爐，同樣采用分批取件的方法進(jìn)行熱處理。為了方便取件，進(jìn)行一級(jí)時(shí)效處理時(shí)試樣在爐內(nèi)的擺放順序如表3所示，二級(jí)時(shí)效時(shí)試樣在爐內(nèi)的擺放順序如表4所示。

表4 二級(jí)時(shí)效處理時(shí)試樣在爐內(nèi)的擺放順序

1.3 正交試驗(yàn)的硬度測(cè)試

待熱處理完成之后，對(duì)其硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，由于本文試驗(yàn)材料為鋁合金，故采用布氏硬度法測(cè)量其硬度。布氏硬度采用573型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)，操作規(guī)程按照表5布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。

由于材料采用線切割的切割方法，試樣兩端較為平行且平整，故不需要對(duì)試樣做進(jìn)一步的加工便可打硬度。根據(jù)布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程，可以得出本次試驗(yàn)應(yīng)采用的壓頭直徑為10 mm，載荷為1 000 Kgf，加荷時(shí)間為30 s。在每個(gè)試樣上選取相隔較遠(yuǎn)的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，之后利用顯微鏡量取壓痕直徑，注意試驗(yàn)后的壓痕直徑應(yīng)在0.2D

(1)

式中：P——載荷,kgf；

D——鋼球直徑,mm；

d——壓痕直徑,mm。

表5 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程

1.4 正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

(2)

根據(jù)極差R的大小，可以判斷因素的主次影響順序。R越大，表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因素越重要，反之則越不重要，這時(shí)可以做因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖，幫助分析出指標(biāo)與各因素水平波動(dòng)的關(guān)系。然后根據(jù)各因素各水平的平均值確定優(yōu)水平，進(jìn)而選出優(yōu)組合。

待依據(jù)正交試驗(yàn)選出優(yōu)組合后，根據(jù)得到的熱處理工藝對(duì)擠壓態(tài)的棒材進(jìn)行熱處理。

1.5 拉伸性能測(cè)試

圖1 本次試驗(yàn)所用拉伸試棒尺寸圖

熱處理完成之后，對(duì)熱處理后的材料進(jìn)行矯直并線切割成拉伸試棒，拉伸試棒尺寸如圖1所示。拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸時(shí)加載應(yīng)變速率為2 mm/min，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格操作流程進(jìn)行操作。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 布氏硬度的測(cè)試

根據(jù)正交試驗(yàn)表對(duì)試樣進(jìn)行熱處理后，在每個(gè)試樣上相隔較遠(yuǎn)的地方打三次布氏硬度，以保證結(jié)果準(zhǔn)確。之后需對(duì)壓痕直徑進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算，測(cè)量數(shù)據(jù)及布氏硬度值如下表6所示。

表6 布氏硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)42.943.002.99144.049138.213139.161140.475試驗(yàn)52.572.752.66189.534165.117176.706177.119試驗(yàn)62.772.762.77162.693163.898162.693163.095試驗(yàn)72.692.872.66172.714151.326176.706166.915試驗(yàn)82.582.792.66188.043160.322174.030174.131試驗(yàn)92.712.632.68170.125180.837174.030174.997試驗(yàn)102.842.812.74154.611158.001166.348159.653試驗(yàn)112.812.902.83158.001148.143155.729153.957試驗(yàn)122.952.912.90143.052147.104148.143146.100試驗(yàn)132.692.952.82172.714143.052156.859157.541試驗(yàn)142.762.542.89163.898194.116149.193169.069試驗(yàn)152.722.552.59168.852192.571186.568182.664試驗(yàn)162.492.542.87202.124194.116151.326182.522試驗(yàn)172.752.462.66165.117207.164176.706182.996試驗(yàn)182.482.602.60203.784185.110185.110191.335

2.2 正交試驗(yàn)的極差分析

在得到各組試驗(yàn)的布氏硬度后，利用極差分析正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，先判斷各因素的主次水平，然后得出各個(gè)因素的優(yōu)水平，所有因素的優(yōu)水平的組合即為優(yōu)組合，這樣就通過(guò)正交試驗(yàn)得到了一個(gè)7059鋁合金的熱處理工藝，計(jì)算過(guò)程已經(jīng)提及，這里不再贅述，計(jì)算結(jié)果如下表7所示。

表7 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖2 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖

為更好的分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其繪制成因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖，如圖2所示。

倘若某一因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響，則該因素的不同水平的硬度值應(yīng)相等；若對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，則其不同水平下的硬度便不同，而且該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，則每個(gè)水平下的硬度差別也越大[8～10]。從表7中可以看出，固溶溫度的極差R最大，也就是固溶溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響最大，根據(jù)極差R的大小排出各因素的主次水平：固溶溫度>固溶時(shí)間>二級(jí)時(shí)效溫度>一級(jí)時(shí)效溫度>一級(jí)時(shí)效時(shí)間>二級(jí)時(shí)效溫度。

在同一因素下，不同的水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不同，選擇該水平下硬度最高的即為優(yōu)水平，根據(jù)圖2，選出各因素下的優(yōu)水平：A3B3C3D3E3F2，即固溶溫度470 ℃，固溶時(shí)間3 h，一級(jí)時(shí)效溫度120 ℃，一級(jí)時(shí)效時(shí)間12 h，二級(jí)時(shí)效溫度165 ℃，二級(jí)時(shí)效時(shí)間10 h。

這樣，就得到7059鋁合金的最終熱處理工藝為固溶470 ℃/3 h+一級(jí)時(shí)效120 ℃/12 h+二級(jí)時(shí)效165 ℃/10 h。

2.3 布氏硬度的對(duì)比

對(duì)采用最終熱處理工藝的試樣(編號(hào)為19)進(jìn)行硬度測(cè)試，并與正交試驗(yàn)中做的布氏硬度做對(duì)比，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn),采用最終熱處理工藝得到的試樣在

硬度方面均高于正交試驗(yàn)中的組合，在硬度方面已經(jīng)達(dá)到較佳。

圖3 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖

2.4 力學(xué)性能的對(duì)比

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如下表8所示。擠壓態(tài)第三個(gè)拉伸試棒在試驗(yàn)過(guò)程中被損壞，故無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表8 力學(xué)性能

圖4 擠壓態(tài)的拉伸試棒的斷口

圖5 熱處理態(tài)的拉伸試棒的斷口

從試驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)過(guò)熱處理后和擠壓態(tài)相比其抗拉強(qiáng)度提高了256.667 MPa，達(dá)50.825%之多，但斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均有所降低，考慮到7059系鋁合金的用途，這些瑕疵是可以接受的。值得一提的是，擠壓態(tài)的拉伸試棒的斷口是沿45°方向斜斷，如圖4所示。熱處理態(tài)的拉伸試棒的斷口是杯狀斷口，如圖5所示。

2.5 鑄態(tài)與擠壓態(tài)顯微組織的對(duì)比

如圖6所示，為7059鋁合金鑄錠經(jīng)擠壓后得到的擠壓態(tài)棒材。從圖6可以看出：棒材表面光滑，無(wú)擠壓裂紋、氣泡起皮、麻面等熱擠壓缺陷。

圖7為7059鋁合金鑄態(tài)及擠壓態(tài)200倍金相顯微組織照片。圖7a)為7059鋁合金鑄態(tài)組織，從圖7中可以看出,7059鋁合金的鑄態(tài)組織為樹(shù)枝晶，其中明亮的地區(qū)為Al基體，呈樹(shù)枝狀，而較暗的沿晶界分布著的是其他亞共晶組織。

圖6 通過(guò)熱擠壓得到的鋁合金棒材圖

圖7b)為7059鋁合金擠壓態(tài)垂直于擠壓方向的組織，從圖中可以看出經(jīng)過(guò)擠壓后枝晶破碎，晶粒變得細(xì)小，而且由于合金的塑性流動(dòng)，鑄造中可能會(huì)存在的孔洞類缺陷會(huì)被焊合，使得材料變得更加致密，可以預(yù)見(jiàn)的是，合金的擠壓態(tài)的力學(xué)性能相比鑄態(tài)的力學(xué)性能應(yīng)有一個(gè)較大的提升[11～15]。

圖7c)為7059鋁合金擠壓態(tài)沿?cái)D壓方向的組織，從圖中可以看出，組織由于被擠壓的原因而呈現(xiàn)條帶狀，因此預(yù)測(cè)其力學(xué)性能會(huì)展現(xiàn)出各向異性。

a)鑄態(tài)組織照片；b)垂直于擠壓方向組織照片；c)沿?cái)D壓方向組織照片

圖7鑄態(tài)及擠壓態(tài)的7059鋁合金組織照片

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料也證實(shí)了這些觀點(diǎn)[16～22]，7059鋁合金鑄態(tài)時(shí)的抗拉強(qiáng)度為203 MPa，而經(jīng)過(guò)熱擠壓后，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到412 MPa，其斷后伸長(zhǎng)率也會(huì)由3.1%提升至8.5%。由此可見(jiàn)，什么樣的微觀組織將決定材料擁有什么樣的力學(xué)性能，而力學(xué)性能的好壞也能夠在一定程度上預(yù)示著微觀組織的好壞，力學(xué)性能和微觀組織猶如一對(duì)親兄弟一般互為表里，密不可分[23～28]。

2.6 最終熱處理組織與正交試驗(yàn)組織的對(duì)比

圖8為500倍金相顯微鏡鏡下的組織照片。圖8a)為7059鋁合金經(jīng)450 ℃/1 h固溶+100 ℃/8 h時(shí)效后的組織，圖8b)為7059鋁合金經(jīng)450 ℃/2 h固溶+110 ℃/10 h+155 ℃/10 h時(shí)效后的組織，圖8c)為7059鋁合金經(jīng)470 ℃/3 h固溶+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h時(shí)效后的組織。

圖8a)中，在經(jīng)過(guò)450 ℃/1 h固溶+100 ℃/8 h時(shí)效后，第二相大量析出，但第二相較為粗大，且大量分布于晶界上。圖8b)中，在經(jīng)450 ℃/2 h固溶+110 ℃/10 h+155 ℃/10 h時(shí)效處理后，析出第二相數(shù)量相對(duì)減少，但在晶界上析出的數(shù)目也減少，有相當(dāng)多的第二相在內(nèi)部析出。圖8c)中，經(jīng)470 ℃/3 h固溶+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h時(shí)效后，幾乎沒(méi)有粗大的第二相析出，第二相都均勻細(xì)小的在整個(gè)基體上分布著。

a)450 ℃/1 h固溶+100 ℃/8 h時(shí)效；b)450 ℃/2 h固溶+110 ℃/10 h+155 ℃/10 h時(shí)效；c)470 ℃/3 h固溶+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h時(shí)效

圖87059鋁合金熱處理組織照片

對(duì)比圖8a)和圖8b)不難看出，7059系鋁合金單級(jí)時(shí)效生成沿晶界分布的鏈狀質(zhì)點(diǎn)在二級(jí)時(shí)效后會(huì)被打斷并團(tuán)聚成球狀，對(duì)比圖8b)和圖8c)可以得到隨著固溶溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，可以使原本的第二相充分溶入基體中，之后再時(shí)效會(huì)得到細(xì)小而彌散的組織。

2.7 掃描電子顯微鏡組織

對(duì)于擠壓態(tài)斷口和熱處理態(tài)斷口的不同決定采用具有大景深的掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察。圖9為不同放大倍數(shù)下鑄態(tài)7059鋁合金拉伸試棒斷口形貌。從圖中可以看到在擠壓態(tài)拉伸試棒斷口照片上有大量的韌窩存在，而且鑄錠在經(jīng)過(guò)擠壓后會(huì)使得晶粒平行于擠壓方向分布，使得合金呈現(xiàn)一定的各向異性，這使得其表現(xiàn)出剪切斷裂的特征，有一定塑性斷裂的特征，為韌性斷裂[29～31]。

a)500倍下斷口形貌；b)1 500倍下斷口形貌圖9 7059鋁合金擠壓態(tài)斷口形貌BJH

圖10為熱處理后7059鋁合金拉伸試棒斷口形貌。經(jīng)過(guò)熱處理后由于強(qiáng)度的極大提升使得塑性銳減，從顯微組織上也可以看到冰糖狀和河流花樣，有解理斷裂，沿晶斷裂的痕跡[31～34]。此外，顯微組織上也可以看到一些韌窩，雖然在數(shù)量上不及擠壓態(tài)組織，但也表現(xiàn)出一定塑性斷裂。綜合以上分析可認(rèn)為熱處理后的合金斷裂方式為以韌性斷裂為主的韌脆混合斷裂。

a)500倍下斷口形貌；b)1 500倍下斷口形貌，河流花樣；c)1 500倍下斷口形貌，冰糖狀

圖107059鋁合金熱處理態(tài)斷口形貌

3 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)正交試驗(yàn)可以判斷出，對(duì)7059鋁合金硬度影響最大的因素為固溶溫度，其次為固溶時(shí)間、二級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效時(shí)間、二級(jí)時(shí)效溫度。

2) 通過(guò)正交試驗(yàn)得到了一個(gè)較好的7059鋁合金熱處理工藝，即470 ℃/3 h+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h。在此熱處理工藝下可將抗拉強(qiáng)度從擠壓態(tài)的505 MPa提升至761.7 MPa，此時(shí)仍有8.2%的斷后伸長(zhǎng)率和8%的斷面收縮率，斷裂方式由韌性斷裂變?yōu)橐皂g性斷裂為主的韌脆混合斷裂。