不同時(shí)效制度對(duì)7003合金力學(xué)及腐蝕性能的影響

董軍賀，何 強(qiáng)，劉麗瑜，王志永，劉勇凱，王 爽

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

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]。隨著航空、船舶、汽車、軌道、軍工等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)鋁合金材料的強(qiáng)度及韌性的要求也越來(lái)越高，而7003鋁合金屬于Al-Zn-Mg系，它具有中等強(qiáng)度和韌性，良好的焊接性能及優(yōu)良的抗腐蝕性，在車輛、建筑、橋梁、工兵裝備和大型壓力容器等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[4-6]。本文通過(guò)研究不同時(shí)效制度對(duì)7003合金的強(qiáng)度、韌性和腐蝕性能的影響，探索滿足7003合金兼有強(qiáng)度和韌性，又具有良好腐蝕性能的時(shí)效工藝方案。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇7003合金為研究對(duì)象，采用12.5MN油壓雙動(dòng)臥式鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)80 mm×4 mm板材，擠壓工藝參數(shù)見(jiàn)表1，并采用在線淬火方式。將擠壓后合金試樣進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效，時(shí)效制度見(jiàn)表2。

表1 7003合金擠壓工藝參數(shù)

表2 雙級(jí)時(shí)效制度

1.2 試驗(yàn)方法

將時(shí)效后的產(chǎn)品沿?cái)D壓方向加工成長(zhǎng)200 mm標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在日本島津AG-X100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試；根據(jù)GB/T 22639—2008和GB/T 7998標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行剝離腐蝕和晶間腐蝕試驗(yàn)，然后利用金相顯微鏡觀察合金試樣表面腐蝕形貌，并評(píng)定剝離腐蝕等級(jí)和測(cè)量晶間腐蝕深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成分檢測(cè)

利用直讀光譜儀對(duì)7003合金進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 7003鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 力學(xué)性能

合金試樣在不同熱處理制度下的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表4。7003合金經(jīng)不同時(shí)效制度的強(qiáng)度、延伸率變化曲線，見(jiàn)圖1。由表4和圖1可以看出，1#試樣時(shí)效制度為峰值時(shí)效，合金力學(xué)性能值最高，但隨著時(shí)效溫度的升高以及時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度卻逐漸降低，且所對(duì)應(yīng)的屈強(qiáng)比也逐漸降低。此外，合金斷面延伸率略有升高，但變化并不明顯。

表4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖1 7003合金不同時(shí)效制度下力學(xué)性能

圖2為合金試樣在不同時(shí)效溫度和不同時(shí)效時(shí)間下的力學(xué)性能變化曲線圖?？梢钥闯?，隨著時(shí)效溫度從150 ℃升至170 ℃，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯下降，但延伸率并無(wú)明顯變化，見(jiàn)圖2(a)。另外，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率變化并不明顯，這說(shuō)明時(shí)效溫度對(duì)合金強(qiáng)度影響更為顯著。在二級(jí)時(shí)效時(shí)間為10 h時(shí)，合金處于溶質(zhì)原子團(tuán)聚區(qū)(GP)為主要強(qiáng)化相階段。在二級(jí)時(shí)效溫度為150 ℃時(shí)，GP區(qū)細(xì)小，呈彌散分布，合金的強(qiáng)度和硬度均有明顯的提高。但隨著二級(jí)時(shí)效溫度的升高，外界提供的能量增大，使GP區(qū)越過(guò)自身的成長(zhǎng)壁壘，開(kāi)始聚集長(zhǎng)大，并逐漸析出過(guò)渡相η′，GP區(qū)的強(qiáng)化作用也隨之減弱，造成合金力學(xué)性能下降。因此二級(jí)時(shí)效溫度選擇150 ℃為宜，合金力學(xué)性能也最佳。

2.3 腐蝕性能

圖3為1#、4#試樣剝落腐蝕試驗(yàn)宏觀形貌圖片，圖4為1#、4#試樣晶間腐蝕宏觀形貌圖片。從圖3和圖4可以看出，經(jīng)過(guò)不同時(shí)效制度處理后的合金試樣，其抗剝落腐蝕及晶間腐蝕能力局部存在較大差異。根據(jù)GB/T 22639《鋁合金加工產(chǎn)品的剝落腐蝕試驗(yàn)方法》和GB/T7998《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法》，可以初步評(píng)定1#～3#試樣時(shí)效制度剝落腐蝕和晶間腐蝕性能最差，腐蝕等級(jí)為EA級(jí)，晶間腐蝕深度為0.080 mm，而相同時(shí)效制度下，4#～10#試樣剝落腐蝕性能較好，腐蝕等級(jí)為PC級(jí)，且無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象。這是因?yàn)殇X合金的耐腐蝕性在很大程度上取決于析出相的尺寸、分布和數(shù)量，尤其與其分布和形態(tài)有關(guān)。據(jù)相關(guān)研究[7]，當(dāng)鋁合金晶界析出相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布時(shí)，在腐蝕環(huán)境中，容易形成陽(yáng)極腐蝕通道，加速合金的晶間腐蝕進(jìn)程，并逐步發(fā)展成剝落腐蝕，其所表現(xiàn)出來(lái)的抗剝落腐蝕性能較差。

(a)時(shí)效溫度的影響；(b)時(shí)效時(shí)間的影響

(a)4#試樣，PC級(jí)；(b)1#試樣，EA級(jí)

(a)4#試樣，無(wú)晶間腐蝕；(b)1#試樣，晶間腐蝕

隨著時(shí)效溫度的升高，時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁合金晶界處第二相逐漸粗化，呈不連續(xù)、離散分布，這就切斷了合金的陽(yáng)極腐蝕通路，腐蝕時(shí)也只是單個(gè)粒子溶解，降低了合金的腐蝕敏感性，從而使合金的抗腐蝕性能得到顯著提高，而且隨著晶界析出相的粗化、間距增大，抗剝落腐蝕性能增大[8]。另一方面隨著時(shí)效程度的加深，GP區(qū)的粒子開(kāi)始逐漸長(zhǎng)大粗化，逐漸析出η′(MgZn2)相，并與基體產(chǎn)生半共格的界面，阻礙了合金的腐蝕通道，使合金的耐腐蝕性得到很大提升。

3 結(jié)論

對(duì)7003合金進(jìn)行不同的時(shí)效熱處理，經(jīng)力學(xué)性能及腐蝕性能檢測(cè)，采用100 ℃×8 h+150 ℃×14 h時(shí)效制度，產(chǎn)品的力學(xué)性能和屈強(qiáng)比綜合性能最佳，而且相對(duì)腐蝕性能較好，剝落腐蝕可達(dá)PC級(jí)，且無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象。