Cu 含量對(duì)7003鋁合金擠壓材組織與性能的影響

林玉金，胡權(quán)，杜勛貴，周楠

（1佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528100；2廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州510651）

鋁合金具有密度小、耐腐蝕、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸工具上的應(yīng)用日益擴(kuò)大，采用高強(qiáng)度鋁合金制造大型結(jié)構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸工具輕量化的有效措施[1-3]。7003鋁合金是可熱處理強(qiáng)化的Al-Zn-Mg系鋁合金，具有優(yōu)良的焊接性能、抗彈性能和較好的擠壓加工性能[4]。但7003鋁合金的強(qiáng)度仍然偏低，難以滿足交通運(yùn)輸工具大型結(jié)構(gòu)件的制造要求。Al-Zn-Mg-Cu系合金屬于超高強(qiáng)度鋁合金，如7050、7075和7085合金等，但這些牌號(hào)的鋁合金由于Zn、Mg含量較高，特別是加入了大量的Cu元素，雖然提高了合金的強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能，但也損害了合金的焊接性能，無法滿足大型結(jié)構(gòu)件的焊接工藝要求[5]。為了滿足交通運(yùn)輸工具大型結(jié)構(gòu)件對(duì)高強(qiáng)可焊鋁合金的需求，本文在7003鋁合金基礎(chǔ)上添加微量的Cu元素，研究了Cu含量對(duì)7003鋁合金擠壓材組織與性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為7003鋁合金，采用鋁錠（99.85%，質(zhì)量百分比，下同）、鎂錠（99.95%）、鋅錠（99.9%）熔煉配制，經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測(cè)定，7003鋁合金的化學(xué)成分為：Zn 6.01%，Mg 1.12%，Si 0.075%，F(xiàn)e 0.089%，余量為Al。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為200kg熔鋁爐和半連續(xù)鑄造機(jī)。在熔鋁爐內(nèi)于760℃加熱熔化7003鋁合金，分別添加0、1%、2%和3%的Al-20Cu合金（對(duì)應(yīng)7003鋁合金中的Cu含量分別0、0.2%、0.4%和0.6%），再加入0.2%的Al-5Ti-1B合金桿進(jìn)行晶粒細(xì)化處理，經(jīng)精煉除氣除渣和靜置保溫30分鐘后，將鋁合金液半連續(xù)鑄造成直徑100mm的7003鋁合金圓棒。

在25kW箱式電阻爐內(nèi)將7003鋁合金圓棒加熱至420℃保溫2小時(shí)，再升溫至 460℃繼續(xù)保溫24小時(shí)進(jìn)行均勻化處理，然后用水霧強(qiáng)制冷至室溫。將鋁合金圓棒表面去皮后加熱到420℃，在630噸擠壓機(jī)上擠壓成寬60mm、厚6mm的7003鋁合金板材，擠壓模具溫度為400℃，擠壓比為20∶1，擠壓速度為1.2m/min。將鋁合金擠壓板材在470℃固溶處理2小時(shí)，水淬后，在130℃人工時(shí)效24小時(shí)，最后隨爐冷卻到室溫。

在7003鋁合金圓棒和擠壓板材上分別取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光后，用2.5%HNO3+1.5%HCL+1%HF（體積百分?jǐn)?shù)）的混合酸水溶液腐蝕，在LEICA-WCW3000金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。分別用JEOLJXA-8100型掃描電鏡電子探針和DMAX-NYP型X-射線衍射儀對(duì)擠壓板材試樣的物相構(gòu)成進(jìn)行分析。在固溶時(shí)效處理后的鋁合金擠壓板材上沿?cái)D壓方向取樣并加工拉伸試樣，在WSC200型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率2mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸（單位：毫米）

圖2 不同Cu含量的7003鋁合金圓棒的顯微組織（a）0%，（b）0.2%，（c）0.4%，（d）0.6%

圖3 不同Cu含量的7003鋁合金擠壓材的顯微組織（a）0%，（b）0.2%，（c）0.4%，（d）0.6%

圖4 7003鋁合金擠壓材的X射線衍射圖譜

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為7003鋁合金圓棒的顯微組織。從圖2可看到，7003鋁合金圓棒的顯微組織由α-Al枝晶晶粒和晶間共晶相組成。7003鋁合金半連續(xù)鑄造的凝固過程屬于非平衡凝固過程，當(dāng)合金液冷卻到液相線溫度以下時(shí)，首先從合金液中析出α-Al晶核，然后Al原子不斷向α-Al晶核表面沉積，α-Al晶核開始以樹枝狀方式不斷凝固長大成α-Al枝晶晶粒。隨著合金液的持續(xù)凝固，液相成分發(fā)生變化，固液界面前沿的溶質(zhì)元素Zn、Mg、Cu不斷向殘留液相擴(kuò)散富集，并在液相和固相內(nèi)造成成分梯度，引起擴(kuò)散現(xiàn)象和溶質(zhì)再分配。當(dāng)溫度降低到合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，α-Al枝晶晶間的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，在晶界上逐漸析出由MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg相共同構(gòu)成的多元非平衡共晶組織[6，7]。從圖2可看到，未加Cu元素時(shí)，7003鋁合金圓棒的α-Al枝晶尺寸較為粗大，由于晶間共晶組織的數(shù)量相對(duì)較少，導(dǎo)致晶界較為細(xì)小且不連續(xù)，如圖2（a）所示。隨著Cu含量的增加，7003鋁合金圓棒的α-Al枝晶尺寸略有減小，由于晶間共晶組織的數(shù)量增多，晶間變寬并形成連續(xù)網(wǎng)狀，如圖2（b）-（d）所示。

圖3為7003鋁合金擠壓材的顯微組織。7003鋁合金圓棒經(jīng)過高溫均勻化處理，部分共晶相MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg得到溶解，Zn、Mg、Cu元素溶入到鋁基體中，降低枝晶成分的微觀偏析，并消除鑄棒的殘余應(yīng)力，從而可以提高合金的塑性和擠壓性能[8]。從圖3可看到，7003鋁合金圓棒經(jīng)均勻化處理和擠壓成形后，α-Al枝晶和晶間連續(xù)網(wǎng)狀共晶組織已消失，未完全溶解的共晶相MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg彌散分布在鋁基體上。隨著Cu含量的增加，鋁基體上分布的彌散相的數(shù)量也越多。

圖4為Cu含量為0.6%的7003鋁合金擠壓材的X射線衍射圖譜（XRD譜）。XRD譜顯示，7003鋁合金擠壓材的顯微組織由α-Al、MgZn2和Al2CuMg相組成，但未發(fā)現(xiàn)AlZnMgCu四元非平衡共晶相的衍射峰。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為AlZnMgCu四元非平衡共晶相具有MgZn2的晶體結(jié)構(gòu)，XRD譜中MgZn2相對(duì)應(yīng)位置的衍射峰同時(shí)也包括了AlZnMgCu相的衍射峰。圖5為Cu含量為0.6%的7003鋁合金擠壓材的掃描電鏡顯微組織圖，根據(jù)掃描電鏡電子探針分析結(jié)果，條帶狀物為AlZnMgCu相，粗大塊狀物為Al2CuMg相，如圖5（a）所示，而彌散分布在α-Al基體上的細(xì)小片狀物為MgZn2相，如圖5（b）所示。

圖5 7003鋁合金擠壓材的掃描電鏡顯微組織

圖6 7003鋁合金擠壓材的拉伸力學(xué)性能隨Cu含量的變化曲線

2.2 力學(xué)性能

圖6為固溶時(shí)效處理后7003鋁合金擠壓材的拉伸力學(xué)性能隨Cu含量的變化曲線。從圖6可看到，隨著Cu含量從0逐漸增加到0.6%，7003鋁合金擠壓材的抗拉強(qiáng)度逐漸升高，但上升速率逐漸下降，伸長率先逐漸升高，當(dāng)Cu含量超過0.4%時(shí)，伸長率開始下降。未添加Cu元素的7003鋁合金擠壓材的抗拉強(qiáng)度為387.2MPa，伸長率為14.5%。當(dāng)Cu含量增加到0.6%時(shí)，7003鋁合金擠壓材的抗拉強(qiáng)度為439.4MPa，伸長率為15.9%，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了13.5%和9.7%。

7003鋁合金是時(shí)效強(qiáng)化型合金，通過固溶處理，合金元素Zn、Mg溶入到鋁基體中形成過飽和固溶體，并通過淬火將固溶體組織穩(wěn)定下來[9]。在隨后的時(shí)效過程中，溶質(zhì)原子有一個(gè)脫溶析出過程，其脫溶序列為GP區(qū)→η'相→η相。GP區(qū)是Mg、Zn原子在Al基體中某一晶面上偏聚形成的原子偏聚區(qū)，與Al基體完全共格，對(duì)合金能起到強(qiáng)化作用，但強(qiáng)化作用沒有η'相明顯。η'相是MgZn2的過渡相，與鋁基體呈半共格關(guān)系，在合金塑性變形時(shí)，能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)合金的強(qiáng)度。η相是MgZn2的平衡相，尺寸粗大且與鋁基體呈非共格關(guān)系，基本沒有強(qiáng)化效果[10]。由此可見，Al-Zn-Mg合金的時(shí)效強(qiáng)化效果主要取決于GP區(qū)和η'相。但在7003鋁合金基礎(chǔ)上添加Cu元素，Cu元素本身可以固溶到鋁基體中起到固溶強(qiáng)化作用，提高7003鋁合金的強(qiáng)度。另外，添加Cu元素還可以提高M(jìn)gZn2沉淀相的彌散度，進(jìn)一步提高7003鋁合金的強(qiáng)度。從圖6可看到，在7003鋁合金基礎(chǔ)上添加Cu元素可顯著提高合金的強(qiáng)度，并且隨著Cu含量的增加，7003鋁合金擠壓材的抗拉強(qiáng)度逐漸升高。但隨著Cu含量的增加，也會(huì)增加Al2CuMg和Al7Cu2Fe金屬間化合物的生成，金屬間化合物都是脆性相[11]，其塑性變形時(shí)與鋁基體的變化速率不一致，容易導(dǎo)致界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為斷裂的裂紋源和裂紋擴(kuò)展方向，反而使合金的塑性下降。基體上。

（2）隨著Cu含量的增加，7003鋁合金擠壓材的抗拉強(qiáng)度逐漸升高，但上升速率逐漸下降，伸長率先升高，當(dāng)Cu含量超過0.4%時(shí)，伸長率開始下降。

（3）當(dāng)Cu含量為0.6%時(shí)，7003鋁合金擠壓材的抗拉強(qiáng)度為439.4MPa，伸長率為15.9%，與未添加Cu元素相比，擠壓材的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了13.5%和9.7%。

3 結(jié)論

（1）7003鋁合金鑄態(tài)組織由α-Al枝晶和晶間非平衡共晶相組成，經(jīng)均勻化處理和擠壓后，共晶相彌散分布在鋁

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