某些高強(qiáng)度鋁合金的淬火敏感性研究

劉 煜，劉靜安，劉志銘

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326；2.廣東鳳鋁鋁業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東523280）

0 前言

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于某些熱處理強(qiáng)化的鋁合金來(lái)說(shuō)，淬火敏感性對(duì)保證其最終質(zhì)量或使用潛力的最大發(fā)揮起著十分重要的作用[1]。鋁合金材料的淬火敏感性（淬火速度的變化）主要是由合金的導(dǎo)熱性決定的，即與合金成分有密切的關(guān)系。如Al-Zn-Mg-Cu和Al-Cu-Mg系等高強(qiáng)度合金的淬火敏感性在很大程度上受少量鉻、錳、鋯等添加過(guò)渡族金屬元素的影響。這些微量的過(guò)渡元素在鑄錠均勻化處理時(shí)會(huì)在鋁合金基體中形成彌散的第二相，抑制或阻礙后續(xù)退火處理時(shí)出現(xiàn)的再結(jié)晶過(guò)程，使固溶處理之后出現(xiàn)細(xì)小的再結(jié)晶晶粒或回復(fù)組織。在緩慢淬火期間，對(duì)于穩(wěn)定相η來(lái)說(shuō)，這些彌散體起著其均衡成核源的作用，因此大大提高了淬火敏感性[2，3]。

近年來(lái)，隨著鋁合金材料，特別是高強(qiáng)度鋁合金材料的高速發(fā)展和大量應(yīng)用，已清楚含Zr的高強(qiáng)度鋁合金（如7050）的淬火敏感性比含Cr高強(qiáng)度鋁合金（如7075）的淬火敏感性低。但是造成這種淬火敏感性差異的原因還未弄明白。因此，許多從事鋁合金材料的專家、學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，并得出了可喜的成果。本文就是在收集、整理大量的研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)Al-Zn-Mg-Cu和Al-Cu-Mg等高強(qiáng)度鋁合金敏感性差異成因進(jìn)行分析討論，為今后生產(chǎn)實(shí)踐或工藝改進(jìn)提供幫助。

1 試驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)過(guò)程與工藝

1.1 鋁合金成分和試樣的制備

試驗(yàn)用鋁合金成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用鋁合金的編組與主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

將A組鋁合金鑄錠均勻化處理后熱擠壓成32mm×64mm的矩形棒；將B組合金鑄錠均勻化處理后熱軋成厚度為2～10mm的板材；把部分熱擠壓矩形棒和熱軋板冷軋至1～2mm厚的條材，分別制成試樣。

1.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)過(guò)程及工藝

考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性，采用時(shí)效前進(jìn)行分步淬火的試驗(yàn)方法，而不是采用常規(guī)的改變?cè)嚇雍穸然蚋淖兇慊鸾橘|(zhì)（如空氣冷卻、油淬、水淬等）試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估合金材料的淬火敏感性。將大多數(shù)試樣在一定溫度下（A、B兩組合金的試樣在470℃下，而C組合金的試樣在500℃下）固溶處理360s，然后把試樣移到溫度保持在300～400℃的溶槽中進(jìn)行分步淬火，處理時(shí)間為100s。最后，將分步淬火后的試樣進(jìn)行常規(guī)的時(shí)效處理（A、B兩組合金試樣時(shí)效溫度為120℃或200℃；C組合金進(jìn)行自然時(shí)效）。使試樣硬度達(dá)到最大值。而另一部分試樣則按常規(guī)進(jìn)行固熔熱處理、水淬和時(shí)效處理，將這些試樣作為參考試樣與上述進(jìn)行分步淬火后時(shí)效處理的試樣進(jìn)行對(duì)照，所有試樣在進(jìn)行熱處理之后，用TEM儀（H-700和2000-FX）測(cè)量HV（維氏硬度）并觀察試樣的組織結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1示出了分步淬火對(duì)冷加工83%的A組合金的時(shí)效硬化的影響。由圖可知，分步淬火使Al-Zn-Mg-Cu合金的時(shí)效硬化性略有下降，而含Zr的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的時(shí)效硬化性則下降很大，尤其是在450℃溫度下淬火時(shí)[4]。這說(shuō)明添加0.16%Zr后，合金的淬火敏感性變得很大，同時(shí)也說(shuō)明在450℃左右的溫度范圍內(nèi)固溶處理后的含Zr合金應(yīng)以盡可能快的速度進(jìn)行冷卻。這一試驗(yàn)結(jié)果與下列結(jié)論十分吻合，即在450℃左右的溫度下，含Zr合金的沉淀速度最高。

圖1 試樣硬度（HV）與分步淬火溫度（TSQ）關(guān)系曲線

為了弄清分步淬火期間的沉淀行為，對(duì)含Zr合金組織情況進(jìn)行觀察，在AlZr彌散體周圍形成了分布均勻的非共格η相析出物。除此以外，還有另一種具有共格應(yīng)變場(chǎng)像的Al3Zr析出物，它們是從η相析出物中游離出來(lái)的?？紤]到鑄錠均勻化處理期間會(huì)形成具有L12組織的共格Al3Zr彌散體，起著η相均勻成核場(chǎng)所的顆?？赡苁窃诰鶆蚧蟮暮罄m(xù)處理過(guò)程中出現(xiàn)的。

首先，在熱加工后進(jìn)行了固溶熱處理的含Zr合金中發(fā)現(xiàn)了Al3Zr彌散體。此外，這些彌散體還具有與均勻化處理后即刻所得的彌散體相同的衍射圖像和暗視場(chǎng)像。

因而很顯然，幾乎所有的彌散體在這一階段都具有共格性。這一事實(shí)說(shuō)明，充當(dāng)η相均勻成核場(chǎng)所的彌散體是后續(xù)冷加工和固溶熱處理的產(chǎn)物。圖2示出了試樣的硬度與分步淬火和每一溫度下保溫時(shí)間的關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)熱加工的含Zr合金進(jìn)行分析，可以大概確定出冷加工對(duì)合金最終時(shí)效后的可硬化性的影響。在分步淬火溫度下的每次保溫時(shí)間內(nèi)，冷壓縮的增強(qiáng)都使合金的硬度有所下降。換句話說(shuō)，熱加工后的瞬間含Zr合金的淬火的敏感性最低，而后來(lái)的冷加工處理明顯提高了合金的淬火敏感性。雖然共格彌散體在分步淬火期間沒(méi)有起到η相析出物成核場(chǎng)所的作用，但是η相析出物的數(shù)量卻隨冷壓縮程度的增大而明顯增多。

圖2 試樣硬度（HV）與分步淬火溫度和保溫時(shí)間的關(guān)系圖

圖3為B組合金硬度變化與冷壓加工變形的關(guān)系圖。該圖示出了冷加工對(duì)含有小量添加劑鋁合金的淬火敏感性的影響。B組合金包括含有Hf合金，在這些合金中形成了所希望的具有相同Al3Zr彌散體結(jié)構(gòu)的彌散體。雖然含Hf合金的峰值硬度的變化與合金Zr合金一樣是取決于冷加工程度的，但是在含Cr合金中卻觀察不到這一依附關(guān)系。因此，可以認(rèn)為：這一依附關(guān)系僅局限于含L12結(jié)構(gòu)的彌散體顆粒的合金中。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，與含有Cr的合金相比，含Zr（Hf）合金在熱加工狀態(tài)下時(shí)的淬火敏感性非常低，即使冷加工后合金的淬火敏感性仍然很低。

圖3 B組合金試樣硬度變化與冷加工變形的關(guān)系曲線

為了闡明冷加工是含Zr（Hf）合金的淬火敏感性提高的原因，需要對(duì)冷加工30%并固溶熱處理的含Zr合金的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的觀察。再結(jié)晶區(qū)的析出組織與未再結(jié)晶區(qū)即回復(fù)區(qū)的析出組織截然不同：在再結(jié)晶晶粒中的Al3Zr彌散體上有大量的η相析出物，而在回復(fù)區(qū)中的亞晶界面上僅可觀察到少數(shù)的η相析出物。雖然有許多在亞晶粒中具有共格應(yīng)變場(chǎng)的Al3Zr彌散體，但它們不能象彌散體那樣充當(dāng)η相成核的場(chǎng)所。因此，由于再結(jié)晶作用，共格應(yīng)變場(chǎng)的Al3Zr彌散體顯然變成了另一種的充當(dāng)η相成核場(chǎng)所的彌散體。

將試樣冷加工36%，然后進(jìn)行固熔熱處理，并于350℃下分步淬火處理30s，最后在120℃溫度下時(shí)效處理24h。

再結(jié)晶期間彌散體的顯著變化肯定是指共格性的降低，這是因?yàn)槿绻w粒在再結(jié)晶溫度下是穩(wěn)定的，那么高角度界面的移動(dòng)就會(huì)使上述共格顆粒的共格性降低。觀察結(jié)果表明，回復(fù)區(qū)內(nèi)的所有Al3Zr彌散體都是與基體完全共格的。在再結(jié)晶區(qū)中仍然存在著一些共格顆粒，人們認(rèn)為它們?cè)谠俳Y(jié)晶后的固熔熱處理過(guò)程中發(fā)生沉淀。

根據(jù)這些結(jié)果，為什么含Zr（Hf）合金的淬火敏感性取決于冷加工，而含Cr合金則不的原因就很明顯了，這是因?yàn)殍T錠均勻化處理期間出現(xiàn)的彌散體在前一種合金中是共格的，而在后一種合金中則是不共格的。根據(jù)均勻成核過(guò)程中的界面間能量，可以解釋非共格η相析出物僅在非共格顆粒上出現(xiàn)而不在共格顆粒上出現(xiàn)的這一事實(shí)。

同樣，通過(guò)對(duì)C組合金的冷加工試樣進(jìn)行分析，確定該合金的淬火敏感性如圖4所示。曲線表明，添加微量的添加劑后Al-Cu-Mg合金合金的淬火敏感性得到提高，并且含Mn合金的淬火敏感性比含Zr合金的淬火敏感性要高。和Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金一樣，含Zr合金的淬火敏感性也基本上取決于冷加工。

圖4 C組合金硬度與分步淬火溫度的關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，B組中含Cr合金和C組含Mn合金的淬火敏感性明顯高于相應(yīng)的含Zr合金，甚至是冷加工含Zr合金試樣的淬火敏感性。造成這一差異的原因在于前一種合金中的顆粒和基體間的非共格界面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后一種合金的。

除上述結(jié)果以外，在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)非常奇異的能表明含Zr合金再結(jié)晶作用的重要性的結(jié)果。圖5示出了分步淬火和時(shí)效處理后的厚試樣從固熔處理溫度開(kāi)始緩慢冷卻并進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，該試樣的硬度變化也有相同的趨勢(shì)。厚試樣的內(nèi)部淬火速度比其表面附近的淬火速度要低，但試樣的內(nèi)部卻比其表面堅(jiān)硬得多，這似乎是很不尋常的。然后，根據(jù)下述事實(shí)這一情況就很自然了，即再結(jié)晶過(guò)程只發(fā)生在熱擠壓棒表明附近的狹長(zhǎng)區(qū)域，并且擠壓棒的內(nèi)部不發(fā)生再結(jié)晶，如圖5所示。

圖5 試樣硬度變化與距試樣表面距離的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）與含Mn合金相比，熱加工Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金和Al-Cu-Mg-Zr合金的淬火敏感性相當(dāng)?shù)?。這是因?yàn)榧词巩?dāng)這些合金從固溶處理溫度開(kāi)始緩慢淬火或分步淬火，穩(wěn)定相也不會(huì)在共格Al3Zr彌散體上形成晶核。

（2）含Zr（Hf）合金淬火敏感性隨冷加工程度的增大而增大，其原因如下：在冷加工試樣中，固溶熱處理期間出現(xiàn)的再結(jié)晶現(xiàn)象使彌散體的共格性下降，并使這些彌散體變成那種充當(dāng)穩(wěn)定相成核場(chǎng)所的彌散體。

（3）含Zr合金的淬火敏感性在完全再結(jié)晶狀態(tài)下仍然比較低，這是因?yàn)樵摵辖鸬膹浬Ⅲw與基體間的非共格界面面積小于含Mn合金中彌散體與基體間的非共格界面的面積。