7075鋁合金實(shí)心型材生產(chǎn)工藝的研究

黃志其，尹志民，陳 慧，葛 杰，胡 權(quán)，劉志銘

1．中南大學(xué)材料學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528133

7075鋁合金實(shí)心型材生產(chǎn)工藝的研究

黃志其1，2，尹志民1，陳 慧2，葛 杰2，胡 權(quán)2，劉志銘2

1．中南大學(xué)材料學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528133

對(duì)一種7075鋁合金實(shí)心型材進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)研究，并對(duì)其組織及性能進(jìn)行了分析測(cè)試．結(jié)果表明，在擠壓溫度380～400℃，固溶淬火溫度480℃、保溫時(shí)間2．5 h，以及在120℃及保溫時(shí)間24 h的時(shí)效處理工藝條件下，7075鋁合金實(shí)心型材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別達(dá)到635 MPa，576 MPa和8．5%．

7075合金；熱模擬；組織與性能；生產(chǎn)工藝

7075合金是美國(guó)鋁業(yè)公司于1943年開(kāi)發(fā)的，其屬于Al－Zn－Mg－Cu系超硬鋁合金，它的出現(xiàn)給飛機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能帶來(lái)了革命性的變化，同時(shí)也為超高強(qiáng)度鋁合金的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1－3]．7075合金具有較高的強(qiáng)度和良好的加工性能，長(zhǎng)期以來(lái)在航空工業(yè)中被廣泛地用作高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件的材料，是世界各國(guó)航空航天工業(yè)中不可或缺的重要材料[4－5]．

7075合金所具有的獨(dú)特性能，在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣．本文在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)民用的7075鋁合金實(shí)心型材進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，通過(guò)金相及力學(xué)性能分析，得出其最佳的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出了滿足客戶需求的產(chǎn)品．

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為7075合金，其組成成分包括主合金元素Zn，Mg和Cu，以及少量雜質(zhì)元素Fe和Si．由于7075合金具有合金化程度較高、固液區(qū)間較大及有較大的裂紋傾向性等特性．為了保證合金的力學(xué)性能，同時(shí)考慮到Zn含量對(duì)裂紋傾向性的影響較小，Zn含量應(yīng)控制在5．5%～5．8%；Mg含量較高時(shí)，可以提高合金在固液區(qū)的塑性，有效防止裂紋的產(chǎn)生，Mg含量應(yīng)控制在2．6%～2．8%；Cu含量較低時(shí)，有利于降低裂紋的不良影響，Cu含量應(yīng)控制在1．3%～1．5%．

Si對(duì)于合金的熱裂傾向性影響比較明顯，鑄錠截面越大，則允許的Si含量越低，Si的含量應(yīng)控制在0．15%以下；由于Fe可與其它元素生成AlFe MnSi化合物，從而減少了共晶量，縮小了脆性區(qū)間，并可減少和消除Si及Mn的不利影響，對(duì)于采用熱頂鑄造法生產(chǎn)的直徑230 mm的鑄錠，可適當(dāng)提高Fe含量，以降低裂紋傾向性，F(xiàn)e的含量應(yīng)控制在0．40%～0．45%．7075合金的組成成分列于表1．

表1 7075合金成分的設(shè)計(jì)范圍Table 1 Chemical composition of 7075 alloy

1．2 試驗(yàn)方法

在Gleeble 1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)7075合金進(jìn)行高溫?zé)崴苄栽囼?yàn)，為了使拉伸試樣加熱均勻，先以10℃/s速率將試樣加熱至50℃，再以5℃/s速率加熱至目標(biāo)溫度，保溫1 min后拉斷，然后測(cè)量拉伸后試樣的斷面收縮率及變形抗力隨擠壓溫度而變化的趨勢(shì)，以確定合金的最佳擠壓溫度范圍．根據(jù)實(shí)心型材，選取合金的淬火溫度分別為460，470，480，490和500℃，保溫時(shí)間均為2．5 h，根據(jù)時(shí)效后的力學(xué)性能結(jié)果及金相顯微組織，以確定最佳的淬火溫度．時(shí)效工藝選取通用的處理?xiàng)l件，即溫度為120℃、保溫時(shí)間為24 h．

2 結(jié)果與討論

2．1 熔鑄生產(chǎn)工藝

由于7075合金的合金化程度高、液－固相線間距大、凝固成型時(shí)過(guò)渡帶寬及鑄造裂紋傾向較大，為防止出現(xiàn)中心裂紋等缺陷，對(duì)于直徑230 mm的鑄錠，需采用硅酸棉紙作“假鋪底”，其鑄造速率控制在50～60 mm/min，冷卻水壓為0．04～0．06 MPa，在鑄造工序后進(jìn)行回火處理，最后將鑄錠進(jìn)行460℃/24 h均勻化退火．

圖1 7075合金鑄態(tài)及均勻化退火后組織的金相圖（a）鑄態(tài)組織；（b）均勻化退火組織Fig．1 Metallographic analysis of as－cast and uniformly annealed microstructure of 7075 alloy（a）as－cast microstructure；（b）uniformly annealed microstructure

圖1為合金鑄態(tài)及均勻化退火后組織的金相圖．從圖1（a）可見(jiàn)，7075合金鑄態(tài)組織為典型的枝晶狀組織，在晶界和枝晶網(wǎng)絡(luò)間還分布著未溶解的第二相化合物等；從圖1（b）可見(jiàn)，經(jīng)均勻化處理后，非平衡結(jié)晶所造成的枝晶偏析顯著減少或消除，第二相化合物也明顯減少．由于均勻化處理主要是消除成分偏析，其并不能使粗大的第二相及共晶相徹底溶解，因此必須通過(guò)后續(xù)的變形細(xì)化第二相及經(jīng)固溶處理，以達(dá)到減少或消除第二相的目的．

2．2 合金擠壓生產(chǎn)工藝

通常7075合金的擠壓溫度為320～450℃，為找到合金的最佳擠壓溫度，對(duì)合金進(jìn)行了高溫?zé)崴苄苑治觯畧D2為7075合金的高溫?zé)崴苄郧€．

圖2 7075合金的高溫?zé)崴苄郧€Fig．2 High temperature thermoplastic property curve of 7075 alloy

從圖2可見(jiàn)：當(dāng)溫度在350～500℃范圍時(shí)，合金的面縮率隨溫度的升高逐步下降，其由47%下降到10%；當(dāng)溫度在350～400℃范圍時(shí)，合金的面縮率及抗拉強(qiáng)度均較好，表明其塑性較好．在實(shí)際擠壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，合金邊角等部位易出現(xiàn)裂紋．因此，合理的擠壓溫度應(yīng)控制在380～400℃，擠壓速率為1．2 m/min．在該工藝條件下，合金的表面質(zhì)量能達(dá)到要求．

2．3 合金固溶處理工藝

圖3為不同固溶淬火溫度下合金的金相組織．從圖3可以看出，隨著固溶溫度的升高，未溶相逐漸減少，但是晶粒有粗化趨勢(shì)，說(shuō)明再結(jié)晶晶粒已經(jīng)開(kāi)始長(zhǎng)大粗化．同時(shí)從圖3（d）和圖3（e）可以看出，盡管固溶溫度已超過(guò)該合金的非平衡共晶點(diǎn)溫度477℃[6]，但組織仍未見(jiàn)過(guò)燒．這是由于多相共晶組織中，各相的熱穩(wěn)定性和固溶速率不同所致，當(dāng)某一相優(yōu)先固溶后，剩余相的共晶溫度將提高．

圖3 不同固溶淬火溫度下合金的金相組織Fig．3 Metallographic analysis under different solid solution quenching temperatures（a）460℃；（b）470℃；（c）480℃；（d）490℃；（e）500℃

經(jīng)不同固溶工藝及時(shí)效處理后的合金力學(xué)性能列于表2．由表2可知，隨著固溶溫度的升高，合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均是先升高后降低，其力學(xué)性能的變化與圖3中合金組織變化的特征相一致．在固溶溫度為480℃、保溫時(shí)間為2．5 h，時(shí)效溫度為120℃、保溫時(shí)間為24 h的工藝條件下，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別達(dá)到635 MPa，576 MPa和8．5%，該指標(biāo)滿足了客戶對(duì)合金力學(xué)性能的要求．

表2 不同固溶工藝處理下合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of the alloy under different solid solution treatment

3 結(jié) 論

（1）7075合金的組成成分是：w（Zn）為5．5%～5．8%，w（Mg）為2．6%～2．8%，w（Cu）為1．3%～1．5%，w（Si）為0．15%，w（Fe）為0．40%～0．45%．該合金的各成分含量在保證合金力學(xué)性能的同時(shí)，也使合金的裂紋傾向性降低．

（2）在最佳工藝條件下，即擠壓溫度380～400℃，固溶淬火溫度480℃、保溫時(shí)間2．5 h，以及經(jīng)120℃及保溫時(shí)間24 h的時(shí)效處理，7075合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別達(dá)到635 MPa，576 MPa和8．5%．

（3）經(jīng)熱擠壓變形后再進(jìn)行固溶淬火處理，合金的過(guò)燒溫度較非平衡共晶溫度有一定的提高．

[1]李杰，尹志民，王濤，等．固溶—單級(jí)時(shí)效處理對(duì)7055鋁合金力學(xué)和電學(xué)性能的影響[J]．輕合金加工技術(shù)，2004，32（l）：39－43．

[2]林高用，彭大暑，魏圣明，等．強(qiáng)化固溶處理對(duì)7075鋁合金組織的影響[J]．金屬熱處理，2002，27（11）：30－33．

[3]劉萬(wàn)輝，鮑愛(ài)蓮．熱壓縮7075鋁合金流變應(yīng)力特征[J]．熱加工工藝，2006，35（8）：28－30．

[4]劉紅衛(wèi)，陳康華，劉允中．強(qiáng)化固溶對(duì)7075鋁合金組織與性能的影響[J]．金屬熱處理，2000（9）：16－17．

[5]劉繼華，李荻，劉培英．時(shí)效和回歸處理對(duì)7075鋁合金力學(xué)及腐蝕性能的影響[J]．材料熱處理學(xué)報(bào)，2002，23（1）：50－53．

[6]陳康華，劉允中，劉紅衛(wèi)．7075和2024鋁合金的固溶組織與力學(xué)性能[J]．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2000，10（6）：819－822．

Research on the process technology of 7075 aluminum alloy solid profile

HUANG Zhiqi1，2，YIN Zhimin1，CHEN Hui2，GE Jie2，HU Quan2，LIU Zhiming2
1．School of Material Science ＆ Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2．Sanshui Fenglu Aluminum Co．LTD，F(xiàn)oshan 528133，China

A solid profile of 7075 aluminum alloy was investigated through heat－simulation test，and also the microstructure and property of the profile were analyzed．The results show that the tensile strength，yield strength and elongation of the solid profile 7075 aluminum alloy can get to 635 MPa，576 MPa and 8．5%respectively，under the condition of extrusion temperature of 380－400℃，solid solution at 480℃for 2．5 hours，and aging at 120℃for 24 hours．

7075 alloy；heat－simulation；microstructure and property；process technology

TG146．2

A

1673－9981（2011）03－0209－04

2010－10－04

黃志其（1983—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士．