高合金化AlZnMg合金單級時效工藝研究

魏啟金 盛曉菲 吳云波

摘? 要：文章以Al-8.31Zn-2.46Cu-2.07Mg-0.12Zr為研究對象，通過DSC，硬度測試，研究該合金的單級時效工藝，得到如下結(jié)論：（1）合金固溶溫度不能超過474.5℃。結(jié)合現(xiàn)實操作中的溫度波動，保證合金不會發(fā)生過燒，溫度控制在465℃較為合適。（2）合金合適的時效溫度為120℃，峰值硬度為192HV。最佳單級時效峰時效工藝為120℃時效18h。

關(guān)鍵詞：高合金化;Al-Zn-Mg;單級時效

中圖分類號：TG 146.21? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）32-0114-02

Abstract： In this paper， Al-8.31Zn-2.46Cu-2.07Mg-0.12Zr was used as the research object. The single-stage ageing process of the alloy was studied by DSC and hardness test. The conclusions were as follows： 1. The alloy solution temperature could not exceed 474.5 °C. Combined with the temperature fluctuations in the actual operation， it is guaranteed that the alloy will not be over-fired， and the temperature control at 465 ° C is more suitable. 2. The suitable aging temperature of the alloy is 120 ° C and the peak hardness is 192 HV. The best single-stage ageing peak aging process is 18h at 120°C.

Keywords： high alloying; Al-Zn-Mg; single-stage ageing

AlZnMg合金具有強度重量比高、材料斷裂韌性性能優(yōu)異、抗疲勞性能好等優(yōu)異性能，是航空、航天和軌道交通等重要領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料[1]，也是汽車輕量化材料的選擇之一[2]。AlZnMg合金的高強度源于該合金為典型的時效強化鋁合金，合金主要依靠細(xì)小彌散的第二相強化，其主要強化相為η（MgZn2）相[3]。鋁合金的時效析出過程屬于固態(tài)相變的一種，通過固溶處理，讓溶質(zhì)原子溶入基體，淬火后保持過飽和固溶體至室溫狀態(tài)，在時效過程中，溶質(zhì)原子析出，形核長大成強化相，晶內(nèi)析出細(xì)小的共格或半共格彌散相，隨著時效溫度的升高和時效時間的延長，強化相的尺寸會長大，甚至轉(zhuǎn)變成強化效果很弱的平衡相，影響合金的強度，因此，制定時效強化型鋁合金的合適的時效工藝尤為重要，能夠最大限度發(fā)揮出高合金化AlZnMg合金的性能潛力。本文以高合金化AlZnMg合金為研究對象，對其單級時效的性能變化進(jìn)行研究，為高合金化AlZnMg合金的工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論參考。

成分分析在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICAP6300上進(jìn)行。DSC曲線通過STA 449C同步熱分析儀測量。硬度測試設(shè)備為HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計（2008年，中國萊州），使用載荷為2kg，加載時間均為15s。

1 AlZnMg合金成分及固溶工藝

AlZnMg合金時效強化的基礎(chǔ)是超飽和固溶體，讓溶質(zhì)原子充分溶解進(jìn)基體，在時效過程中析出，成為強化基體η（MgZn2）相，才能保證AlZnMg合金超高強度，因此制定合適的AlZnMg合金固溶工藝就顯得尤為重要。

本文研究的AlZnMg合金為鑄錠經(jīng)過均勻化處理后再經(jīng)420℃熱擠壓的樣品，因為在熱擠壓淬火和日常存放過程中存在一定的析出，為了保證時效強化的效果，需要再進(jìn)行一道固溶處理。本文采用的AlZnMg合金的成分為Al-8.31Zn-2.46Cu-2.07 Mg-0.12Zr，屬于超高合金化鋁合金，溶質(zhì)原子的占比已經(jīng)超過12%，因此，為了保證時效強化的效果，必須保證固溶的效果。圖1為該AlZnMg合金鑄錠的DSC曲線。

從圖1可以看到該AlZnMg合金鑄錠在474.5℃、491.4℃和636.8℃有三個明顯的吸熱峰，474.5℃為MgZn2相熔化的吸熱峰，491.4℃為Al2CuMg相熔化的吸熱峰，636.8℃為該鋁合金熔化的吸熱峰。因此，為了防止該AlZnMg合金過燒，固溶溫度溫度應(yīng)該不能超過474.5℃。結(jié)合現(xiàn)實操作中的溫度波動，保證合金不會發(fā)生過燒，溫度控制在465℃較為合適。固溶時間為1h。[4，5]

2 AlZnMg合金單級時效工藝

圖2為AlZnMg合金在不同時效溫度下，時效時間和硬度的關(guān)系曲線。時效溫度為100℃時，合金在時效初期，硬度從90HV迅速升高，約時效10h后達(dá)到峰值，約175HV，隨后進(jìn)入平臺區(qū)，時效至80h時約175HV。

時效溫度為120℃時，合金在時效初期，硬度從90HV迅速升高，約時效18h后達(dá)到峰值，約192HV，隨后進(jìn)入平臺區(qū)，時效至80h時約188HV。

時效溫度為140℃時，合金在時效初期，硬度從90HV迅速升高，約時效10h后達(dá)到峰值，約193HV，時效至30h后，硬度開始逐步下降，時效至80h時約182HV。

時效溫度為160℃時，合金在時效初期，硬度從90HV迅速升高，約時效8h后達(dá)到峰值，約195HV，隨后硬度快速下降，時效至20h時約175HV，時效至80h時，硬度僅僅只有165HV。

通過圖2可以看到，不同的時效溫度對合金的時效效果不同，低溫100℃時效時合金時效強化效率較慢，最高硬度不高，但是抗過時效能力較強，長時間時效，硬度基本沒有下降。120℃時效時，合金強化速度提高，最高硬度達(dá)到了192HV，抗過時效能力也較強。高溫140℃時效時，初期硬化速度較快，峰值可以達(dá)到193HV，過時效后，硬度有所下降，80h下降至182HV。超高溫160℃時效時初期硬化速率超快，時效8h即可達(dá)到峰值195HV，但抗過時效能力較弱，時效至10h后硬度就開始下降，時效80h時硬度僅僅只有165HV。結(jié)合各個溫度的硬化速率，峰值硬度，還有抗過時效能力，120℃為合適的時效溫度，峰值硬度為192HV。最佳單級時效峰時效工藝為120℃時效18h。

3 結(jié)論

（1）該AlZnMg合金固溶溫度溫度不能超過474.5℃。結(jié)合現(xiàn)實操作中的溫度波動，保證合金不會發(fā)生過燒，溫度控制在465℃較為合適。

（2）該AlZnMg合金合適的時效溫度為120℃，峰值硬度為192HV。最佳單級時效峰時效工藝為120℃時效18h。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳一雷，李永偉.高強高韌度鋁合金的發(fā)展和應(yīng)用[J].航空材料學(xué)報，1994，2（1）：49-55.

[2]馬鳴圖，游江海，路洪洲.汽車輕量化以及鋁合金汽車板的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009（9）：34-37.

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