7A04超高強(qiáng)鋁合金熱處理工藝研究

董志修 姜春茂 趙廣軍 郭月秋 錢曉亮 徐宇航

（北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾，161046）

0 引言

超高強(qiáng)鋁合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用日益廣泛，特別是在航空、航天及軍工領(lǐng)域一直都發(fā)揮著重要的作用，不僅廣泛應(yīng)用在飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈上，而且也大量應(yīng)用在常規(guī)炮彈兵器上，以滿足減輕結(jié)構(gòu)重量，提高承載能力及戰(zhàn)斗力的要求。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)防工業(yè)的迅速發(fā)展，盡管有各種新型材料不斷出現(xiàn)，但鋁合金材料仍是航空、航天及軍工領(lǐng)域重要的基本材料之一，尤其是超高強(qiáng)鋁合金，由于其具有比強(qiáng)度高、加工性能及工藝性能良好等特點(diǎn)，在航空、航天及軍工領(lǐng)域更是占有十分重要的地位。隨著航空航天和軍工工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料性能提出了更高的要求，因此超高強(qiáng)度鋁合金的熱處理工藝研究也在不斷深入。

常規(guī)炮彈兵器上的鋁合金材料主要采用7A04超高強(qiáng)鋁合金，7A04鋁合金是一種Al-Zn-Mn-Cu系熱處理強(qiáng)化合金，合金強(qiáng)度高于硬鋁，在鋁中加入鋅和鎂（Mg），形成強(qiáng)化相MgZn2，對(duì)合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。并明顯提高抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及應(yīng)力腐蝕抗開裂作用。Mn能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒，主要是通過(guò)MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大起阻礙作用。Mg鎂對(duì)鋁的強(qiáng)化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強(qiáng)度大約升高34MPa。Cr在鋁中形成（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)合金有一定的強(qiáng)化作用，還能改善合金的韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。Cu在鋁合金中固溶進(jìn)銅（Cu），機(jī)械性能可以提高，切削性能變好，不過(guò)耐蝕性降低。該合金的特點(diǎn)是非比例延伸強(qiáng)度接近于抗拉強(qiáng)度，也就是屈強(qiáng)比高，塑性韌性較低，對(duì)應(yīng)力作用的集中敏感性強(qiáng)，特別是在承受振動(dòng)載荷和重復(fù)靜載荷的情況下，尤為明顯，所以零件的設(shè)計(jì)、制造工藝和裝配工藝，都需要嚴(yán)格避免應(yīng)力集中和形成附加應(yīng)力因素；該合金的耐熱性較差，使用溫度高于125℃時(shí)會(huì)急劇軟化。本文著重研究了不同的熱處理制度對(duì)對(duì)7A04超高強(qiáng)鋁合金非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的影響，確定了更合適的熱處理工藝參數(shù)，在滿足零件性能要求的前提下，大幅度提高生產(chǎn)效率。

表1 化學(xué)成分

表2 溫度容差和控溫精度

1 原材料

1.1 原材料材料：7A04

原材料的規(guī)格為φ150擠壓圓棒，原廠爐批號(hào)為E1880567，原廠的化學(xué)成分見表1，化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)要求，原材料進(jìn)廠后進(jìn)行100%超聲波探傷檢驗(yàn)及化學(xué)成分檢驗(yàn)，進(jìn)廠檢驗(yàn)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 熱處理設(shè)備和熱處理制度的選用

2.1 熱處理設(shè)備的選用

結(jié)合本公司熱處理車間實(shí)際情況，固溶處理選用RJJ-75-6井式電阻爐，冷卻裝置為自制淬火冷卻水槽，時(shí)效處理選用時(shí)效箱，上下料采用0.5t的單軌吊車，井式爐和時(shí)效箱的溫度容差和儀表控溫精度見表2。

2.2 熱處理制度的選用

由于固溶加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)鋁合金的過(guò)飽和度和晶粒大小的影響較明顯，保溫溫度過(guò)低或保溫時(shí)間太短，導(dǎo)致固溶不充分，后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)下降；溫度稍高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致鋁合金的強(qiáng)度下降，結(jié)合我公司近幾年的生產(chǎn)實(shí)際情況，在原有熱處理工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高固溶加熱溫度和降低保溫時(shí)間，擬定了單一的固溶處理參數(shù)；然后主要是通過(guò)改變時(shí)效的加熱溫度和保溫時(shí)間，以求獲得較理想的力學(xué)性能，制定了如下四種熱處理制度進(jìn)行研究分析。

制度一：475℃/90min/水淬+120℃/15h空冷

制度二：475℃/90min/水淬+140℃/15h空冷

制度三：475℃/90min/水淬+120℃/3h+160℃/3h空冷

制度四：475℃/90min/水淬+120℃/3h+180℃/3h空冷

3 熱處理及性能試驗(yàn)

3.1 零件生產(chǎn)流程

原材料進(jìn)廠驗(yàn)收→下料→造型→擠壓→固溶處理→淬火冷卻→時(shí)效處理→性能試驗(yàn)→機(jī)加→表面處理→裝配。

3.2 熱處理

每種熱處理制度各選擇10件零件，用鋼字頭在零件底部打上制度編號(hào)。熱處理前對(duì)設(shè)備、儀器儀表、工裝及輔助材料等進(jìn)行檢查校對(duì)，設(shè)備及儀器儀表均滿足要求，工裝及輔助材料均準(zhǔn)備齊全；按四種熱處理制度分別進(jìn)行熱處理，熱處理操作要求：人工將零件分散擺放在加熱框內(nèi)，零件口部朝下，井式電阻爐爐溫升至475℃后，用單軌吊車將已擺放零件的加熱框吊至井式電阻爐內(nèi)進(jìn)行固溶加熱，保溫時(shí)間從控溫儀表達(dá)到設(shè)定溫度后開始計(jì)算，并記錄入爐時(shí)間、到溫時(shí)間、出爐時(shí)間，每20分鐘記錄一次井式電阻爐爐溫；固溶加熱保溫90min后及時(shí)快速出爐進(jìn)行淬火冷卻，淬火冷卻轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在15s～20s之間，冷卻介質(zhì)采用循環(huán)自來(lái)水，水溫為常溫，加熱框連同零件一起在淬火冷卻水槽內(nèi)上下移動(dòng)不少于5次，移動(dòng)時(shí)嚴(yán)禁露出水面，冷卻時(shí)間≥8min，要求淬火冷卻時(shí)要有足夠快的冷卻速度和盡可能短的轉(zhuǎn)移時(shí)間，否則室溫拉伸性能的強(qiáng)度會(huì)顯著下降；淬火冷卻后即進(jìn)行時(shí)效處理，人工將零件分散擺放在時(shí)效框內(nèi)，經(jīng)時(shí)效小車進(jìn)入時(shí)效箱進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效保溫時(shí)間從控溫儀表達(dá)到設(shè)定溫度后開始計(jì)算，并記錄入爐時(shí)間、到溫時(shí)間、出爐時(shí)間，每20min記錄一次時(shí)效箱爐溫。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 性能試驗(yàn)

時(shí)效處理后對(duì)四種熱處理制度隨即抽取各兩件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，把力學(xué)性能試樣加工成φ8五倍拉力短試樣，在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：采用固溶處理475℃/90min/水淬、時(shí)效120℃/15h的熱處理制度（制度一），可以獲得較高的非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，但是時(shí)效時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)率很低，熱處理成本較高，這種制度適合于對(duì)非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率要求都較高的零件；采用固溶處理475℃/90min/水淬、時(shí)效140℃/12h的熱處理制度（制度二），可以獲得更高的非比例延伸強(qiáng)度，但斷后伸長(zhǎng)率降低較多，同樣存在生產(chǎn)率低的問(wèn)題，這種制度適合于對(duì)非比例延伸強(qiáng)度要求更高的零件；采用固溶處理475℃/90min/水淬、分級(jí)時(shí)效120℃/3h+180℃/3h的熱處理制度（制度四），相對(duì)于熱處理制度三，零件的非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均未能得到提高，反而有輕微降低，且分級(jí)時(shí)效溫度較熱處理制度三提高20℃，溫度的提高勢(shì)必造成能耗的提高，得不償失；采用固溶處理475℃/90min/水淬、分級(jí)時(shí)效120℃/3h+160℃/3h的熱處理制度，具有良好的綜合性能和較高的生產(chǎn)效率，適用于本廠大部分7A04超高強(qiáng)鋁合金的零件的熱處理。