7050 鋁合金的熱處理工藝

李召華

（空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南 信陽(yáng)464000）

7050 鋁合金是機(jī)械制造中常用的超硬鋁合金，具有強(qiáng)度高、韌性好、抗疲勞性好、耐腐蝕性好等優(yōu)越的綜合性能，可用于制作厚板、型材、鍛件、絲材等。因其具有優(yōu)越性能，在航空上應(yīng)用也很廣泛，可用于制作對(duì)強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、抗疲勞性要求高的承力構(gòu)件，如隔框、翼肋、粱、壁板、鉚釘?shù)攘慵?。這種鋁合金之所以具有優(yōu)越性能，一方面是由其內(nèi)部成分決定，另一方面則需要通過(guò)熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 材料簡(jiǎn)介

7050 屬于AI-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，主要合金元素是鋅,也添加少量的鎂、銅、鉻等元素。鋅、鎂兩種元素具有重要作用，能夠在合金中生成強(qiáng)化相，鋅、鎂含量越多，鋁合金的強(qiáng)度越高。具體化學(xué)成分如表1 所示：

表1

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

φ10×20mm 的7050 鋁合金試樣若干，空氣爐，硬度計(jì)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方案

7050 鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，通過(guò)固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化提高其性能。固溶處理是將鋁合金加熱保溫水冷，以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝。過(guò)飽和程度越高，強(qiáng)化效果越好。固溶處理的工藝有很多種，比如單級(jí)固溶、雙級(jí)固溶、逐級(jí)固溶等。其中單級(jí)固溶具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，本試驗(yàn)主要基于單級(jí)固溶開展。在固溶處理中，加熱溫度和保溫時(shí)間這兩個(gè)工藝參數(shù)起到了至關(guān)重要的作用，對(duì)最終性能影響很大。

2.2.1 固溶處理加熱溫度的影響

準(zhǔn)備6 個(gè)鋁合金試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如下：設(shè)置固溶處 理 加 熱 溫 度 分 別 為465℃、470℃、475℃、480℃、485℃、490℃，保溫45min，水淬,再人工時(shí)效。

2.2.2 固溶處理保溫時(shí)間的影響

選擇固溶處理加熱溫度分別為485℃，保溫時(shí)間分別為25、35、45、55min，水淬，再人工時(shí)效。

2.2.3 固溶處理冷卻介質(zhì)的影響

準(zhǔn)備3 個(gè)鋁合金試樣，試驗(yàn)方案為：設(shè)置固溶處理加熱溫度為475℃，保溫1h，1 個(gè)鋁件用常溫水冷卻，1 個(gè)鋁件用55℃熱水冷卻，1 個(gè)鋁件用66℃冷卻，再進(jìn)行人工時(shí)效。

時(shí)效是把固溶處理之后的鋁合金加熱保溫，然后空冷，使過(guò)飽和固溶體分解，獲得穩(wěn)定組織的熱處理工藝。時(shí)效強(qiáng)化有兩種方式，自然時(shí)效和人工時(shí)效，對(duì)于7050 鋁合金來(lái)說(shuō)，常采用人工時(shí)效的方式。時(shí)效強(qiáng)化的工藝有很多種，如單級(jí)時(shí)效、雙級(jí)時(shí)效、分級(jí)時(shí)效等。

時(shí)效過(guò)程中因?yàn)槲龀龅诙喽鴱?qiáng)化，強(qiáng)化效果和第二相的類型、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、穩(wěn)定性等因素有關(guān)。時(shí)效的方式、工藝、溫度、時(shí)間都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，導(dǎo)致最終性能的差異。

2.2.4 人工時(shí)效加熱溫度的影響

準(zhǔn)備4 個(gè)鋁合金試樣，試驗(yàn)方案為：固溶溫度475℃，保溫1h，水淬，分別100℃、120℃、130℃、140℃時(shí)效，保溫24h，空冷。

2.2.5 人工時(shí)效保溫時(shí)間的影響

準(zhǔn)備5 個(gè)鋁合金試樣，試驗(yàn)方案為：固溶溫度475℃，保溫1h，水淬，120℃時(shí)效6h、12h、24h、48h、72h，空冷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 固溶處理加熱溫度的影響

固溶處理加熱溫度對(duì)性能的影響見(jiàn)表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著加熱溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先逐漸升高，延伸率則逐漸降低，然后強(qiáng)度下降，延伸率升高。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，合金中殘余的粗大第二相不斷的固溶，形成過(guò)飽和固溶體。當(dāng)加熱溫度達(dá)到475℃時(shí)，粗大第二相減少量最多，過(guò)飽和程度最大，強(qiáng)度也最高。隨著溫度的進(jìn)一步增加，晶粒會(huì)變得粗大甚至是出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，強(qiáng)度反而會(huì)下降。由表中數(shù)據(jù)亦能看出，溫度雖然相差不大，但性能相差很大，因此，固溶處理時(shí)，需嚴(yán)格控制溫度，避免出現(xiàn)加熱溫度過(guò)低過(guò)高導(dǎo)致的強(qiáng)度過(guò)低或者過(guò)燒現(xiàn)象。

表2 固溶處理加熱溫度對(duì)性能的影響

3.2 固溶處理保溫時(shí)間的影響

固溶處理保溫時(shí)間的影響見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也隨著升高，塑性降低，到達(dá)峰值后，強(qiáng)度下降，塑性提高。這是因?yàn)楸貢r(shí)間過(guò)短，粗大第二相固溶的數(shù)量較少，過(guò)飽和度低，強(qiáng)度低，保溫時(shí)間長(zhǎng)，粗大第二相固溶的數(shù)量多，強(qiáng)度高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)重新析出粗大的產(chǎn)物，強(qiáng)度下降。

表3 固溶處理保溫時(shí)間的影響

3.3 固溶處理冷卻介質(zhì)的影響

固溶處理冷卻介質(zhì)的影響見(jiàn)表4。當(dāng)采用常溫水冷卻時(shí)，冷卻速度過(guò)快，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大，容易出現(xiàn)裂紋或產(chǎn)生變形，1 號(hào)試樣表面產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的明顯裂紋；采用55℃熱水冷卻時(shí)，無(wú)裂紋，形成過(guò)飽和固溶體，隨著冷卻介質(zhì)溫度升高，第二相溶解不充分，強(qiáng)度略有下降。

表4 固溶處理冷卻介質(zhì)的影響

3.4 人工時(shí)效溫度的影響

表5 人工時(shí)效溫度的影響

人工時(shí)效溫度的影響見(jiàn)表5。硬度在120℃時(shí)達(dá)到峰值，之后隨著時(shí)效溫度的升高，強(qiáng)度開始逐漸降低。這是因?yàn)?20℃時(shí)，時(shí)效強(qiáng)化達(dá)到了最佳效果，延伸率則與強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相反。時(shí)效溫度太低，原子活動(dòng)能力低，擴(kuò)散慢，影響了溶質(zhì)原子富集區(qū)的形成，強(qiáng)度低。時(shí)效溫度太高，原子擴(kuò)散快，會(huì)使過(guò)飽和固溶體的析出相長(zhǎng)大。

3.5 人工時(shí)效時(shí)間的影響

表6 人工時(shí)效時(shí)間的影響

人工時(shí)效時(shí)間太短，溶質(zhì)原子富集區(qū)形成的數(shù)量少，強(qiáng)度較低，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，溶質(zhì)原子富集區(qū)的數(shù)量增加，強(qiáng)度達(dá)到最大，出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，之后，隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步增加，析出相尺寸增大，強(qiáng)度下降，延伸率升高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到這樣的結(jié)論：

4.1 隨著固溶處理加熱溫度的逐漸升高，7050 鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先逐漸升高，延伸率則逐漸降低，在475℃固溶時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，之后強(qiáng)度下降，延伸率升高。

4.2 固溶加熱溫度不變的情況下，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，7050鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸升高，然后達(dá)到峰值，保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，強(qiáng)度開始逐漸降低。

4.3 固溶處理加熱溫度和保溫時(shí)間不變，采用不同方式冷卻，冷卻速度過(guò)快，7050 鋁合金容易出現(xiàn)裂紋，冷卻速度過(guò)慢，則強(qiáng)度較低。

4.4 隨著人工時(shí)效溫度的逐漸升高，7050 鋁合金的抗拉強(qiáng)度先逐漸升高，延伸率則逐漸降低，在120℃時(shí)效時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，之后強(qiáng)度下降，延伸率升高。

4.5 時(shí)效加熱溫度不變的情況下，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，7050鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸升高，然后達(dá)到峰值，保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，強(qiáng)度開始逐漸降低。

由此可見(jiàn)，固溶處理和時(shí)效的參數(shù)對(duì)7050 鋁合金性能的改變起到了至關(guān)重要的作用。如何利用好這些工藝參數(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化熱處理工藝，提高7050 鋁合金的綜合性能，是我們需要繼續(xù)深入研究的問(wèn)題。