脈沖磁場對7A04鋁合金固溶工藝顯微組織和力學(xué)性能的影響

程 橋， 王 軍， 徐 良， 田建明， 陳重毅， 麻永林

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金工程學(xué)院(稀土學(xué)院)， 內(nèi)蒙古 包頭 014000；2. 包頭鋁業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014000)

7×××系鋁合金因其具有良好的強(qiáng)度、斷裂韌性[1]、易回收等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[2-3]。隨著汽車輕量化趨勢以及節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高，7×××系鋁合金的性能也需要進(jìn)一步提升[4]。對鋁合金材料而言，其強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能決定了鋁合金在實(shí)際生產(chǎn)中的最終應(yīng)用[5]。對于可熱處理強(qiáng)化的7×××系鋁合金而言，固溶處理是鋁合金熱處理工藝過程重要的一環(huán)，其不僅要求將凝固過程中的可溶強(qiáng)化相盡可能回溶到Al基體中，同時(shí)要盡可能的溶解難溶第二相(S相、T相、含F(xiàn)e相等)，為后續(xù)時(shí)效形成的沉淀強(qiáng)化提供條件[6-9]。這就要求7××× 系鋁合金在不過燒的前提下盡可能的提高固溶溫度[10]，這對于固溶溫度的制定無疑是一種困難，過長的固溶時(shí)間也降低了固溶處理的效率。

電磁場熱處理是近年來興起的一種新型熱處理方式，其是在合金進(jìn)行熱處理時(shí)施加不同類型的磁場，從而加速熱處理進(jìn)程，提高熱處理效果。馮亮亮[11]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場對于7B04鋁合金固溶、均勻化、時(shí)效等熱處理工藝均產(chǎn)生一定的影響，均勻化處理時(shí)施加強(qiáng)磁場，T相會轉(zhuǎn)化為S相，部分S相回溶到基體中，其原因在于強(qiáng)磁場加速了Zn原子和Cu原子的擴(kuò)散，并且交流電所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場對于7A04鋁合金性能提升更好。洪天然等[12]發(fā)現(xiàn)在Al-Li合金時(shí)效處理過程中施加強(qiáng)磁場，鋁合金的屈服強(qiáng)度會隨著磁場強(qiáng)度的增加而不斷增加。由此可見，不同類型的磁場對于鋁合金的熱處理工藝具有一定的影響，為鋁合金熱處理工藝提供了一種新型的研究思路。

圖1 不同溫度固溶60 min后7A04鋁合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the 7A04 aluminum alloy solution treated at different temperatures for 60 min(a) 420 ℃； (b) 440 ℃； (c) 470 ℃； (d) 480 ℃； (e) 490 ℃

目前許多學(xué)者對鋁合金強(qiáng)磁場的熱處理進(jìn)行了很多研究，然而對于鋁合金熱處理時(shí)施加弱脈沖磁場所產(chǎn)生的影響卻鮮有報(bào)道。于文霞等[13]發(fā)現(xiàn)，約20 mT的脈沖磁場對7A04鋁合金進(jìn)行時(shí)效熱處理時(shí)，時(shí)效所需要的時(shí)間縮短，材料的抗拉強(qiáng)度會有所降低，但材料的塑性會提高。為研究弱脈沖磁場參數(shù)對7A04鋁合金固溶處理下顯微組織及性能的影響，設(shè)定不同固溶處理?xiàng)l件下的脈沖時(shí)間參數(shù)，并采用Axio-Imager蔡司光學(xué)顯微鏡以及鎢燈絲掃描電鏡對顯微組織進(jìn)行觀察，利用維氏硬度計(jì)及萬能試驗(yàn)機(jī)對固溶工藝下的力學(xué)性能進(jìn)行測定。試驗(yàn)結(jié)果可為優(yōu)化高強(qiáng)鋁合金固溶處理提供一種高效、節(jié)能的工藝，并提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為7A04鋁合金擠壓棒材，材料具體化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸為6 mm×8 mm×10 mm。固溶溫度分別選取410、420、430、440、450、460、470、480、490和500 ℃，固溶時(shí)間選取60 min。脈沖磁場固溶處理時(shí)間選取為30、45和60 min。脈沖磁場參數(shù)如下：電流18 A，頻率20 Hz，占空比20%，磁感應(yīng)強(qiáng)度30 mT。采用Keller溶液對固溶后的試樣進(jìn)行腐蝕15～20 s。通過Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織，采用維氏硬度計(jì)對其進(jìn)行硬度測試，載荷為50 N，加載時(shí)間為30 s。WDW3200微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)測量抗拉強(qiáng)度與伸長率。采用鎢燈絲掃描電鏡觀察粗大第二相溶解情況。

表1 7A04鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 固溶溫度的選擇

不同溫度固溶60 min后試驗(yàn)合金的顯微組織如圖1所示，固溶溫度為420 ℃時(shí)，擠壓組織未發(fā)生固溶及再結(jié)晶，存在因擠壓而破碎的難溶物。固溶溫度在440～480 ℃時(shí)，組織中淺白色區(qū)域增多，固溶效果增加，但組織仍為擠壓態(tài)的纖維狀組織，再結(jié)晶現(xiàn)象不明顯。同時(shí)晶粒尺寸并沒有因固溶溫度的升高而增大，這說明此固溶溫度區(qū)間對晶粒的尺寸影響不大。當(dāng)固溶高于490 ℃時(shí)，顯微組織較之前固溶溫度下的組織發(fā)生了明顯變化，纖維狀的特征逐漸消失，并向橢圓狀組織演變。

不同溫度固溶下7A04鋁合金硬度變化如圖2所示。固溶溫度從410 ℃升高到480 ℃時(shí)，顯微硬度呈上升趨勢，固溶溫度為410 ℃時(shí)的顯微硬度值為139.54 HV5，480 ℃ 時(shí)的顯微硬度值達(dá)到最大，為167.32 HV5。固溶溫度高于480 ℃，顯微硬度迅速降低。通過觀察顯微組織和硬度變化曲線，選取最佳固溶溫度為470 ℃。

圖3 7A04鋁合金在不同固溶工藝下的SEM圖(a)擠壓原樣;(b)加磁30 min;(c)加磁45 min;(d)加磁60 min;(e)470 ℃常規(guī)60 min Fig.3 SEM images of the 7A04 aluminum alloy under different solution treatment processes(a) extruded specimen； (b) with magnetic 30 min； (c) with magnetic 45 min； (d) with magnetic 60 min； (e) without magnetic 60 min at 470 ℃

圖2 不同固溶溫度下7A04鋁合金的硬度曲線Fig.2 Hardness curves of the 7A04 aluminum alloy at different solution treatment temperatures

2.2 脈沖磁場對難溶第二相的影響

在固溶溫度確定為470 ℃的基礎(chǔ)上施加脈沖磁場，磁場處理時(shí)間分別為30、45和60 min。其掃描電鏡圖像如圖3所示，各點(diǎn)能譜分析如表2所示。

通過觀察圖3(a)可以看出，未固溶處理的擠壓態(tài)原樣中含有較大的圓形S相(A處)和不規(guī)則形狀的含F(xiàn)e相(B處)。加磁固溶處理30 min后存在大量白色S相，加磁處理45 min后S相(C處)分布數(shù)量減少，從形貌上看，與常規(guī)固溶處理60 min時(shí)(E處)分解情況相似，從EDS能譜分析可知，Cu的含量也近似相同。加磁處理60 min后，含F(xiàn)e相已完全分解，粗大的圓形S相已經(jīng)分解成為圖3(d)處的圓形區(qū)域中的小白點(diǎn)(D處)。圖3(e)中E處是470 ℃常規(guī)固溶60 min后S相的分解情況。從形狀大小上看，常規(guī)固溶處理60 min后S相分解程度遠(yuǎn)不如脈沖磁場固溶處理60 min，含F(xiàn)e相也已分解。由于Cu原子的擴(kuò)散激活能均比Mg原子和Zn原子的擴(kuò)散激活能要大，因此對于S相最后分解的才是Cu原子。綜合圖3可以看出，固溶處理時(shí)施加脈沖磁場可促使難溶S相的分解，并減少固溶時(shí)間。

2.3 脈沖磁場對7A04鋁合金力學(xué)性能的影響

不同脈沖磁場處理時(shí)間硬度變化曲線如圖4所

表2 圖3中各點(diǎn)的EDS能譜分析(原子分?jǐn)?shù)，%)

示，7A04鋁合金在固溶處理中加入脈沖磁場后，隨著磁場處理時(shí)間的延長，硬度值不斷增大。脈沖磁場固溶處理45 min時(shí)的硬度為152.8 HV5，與普通常規(guī)固溶處理60 min的硬度值較為接近。同時(shí)結(jié)合圖3(c～e)可以得出，脈沖磁場可減少固溶時(shí)間，經(jīng)過脈沖磁場固溶處理60 min后，7A04鋁合金硬度達(dá)到了179.4 HV5，與常規(guī)固溶處理相比較，硬度值增加了20 HV5，增加幅度達(dá)10%。結(jié)果表明，施加脈沖磁場不僅可以加速第二相的分解，還可提高合金固溶度。

圖4 470 ℃脈沖磁場固溶不同時(shí)間后7A04鋁合金的硬度Fig.4 Hardness of the 7A04 aluminum alloy after solution treatment in pulsed magnetic field at 470 ℃ for different time

常規(guī)固溶處理與脈沖磁場固溶處理拉伸性能如圖5所示，經(jīng)過脈沖磁場處理的7A04鋁合金固溶后的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了582 MPa，伸長率為7.3%。經(jīng)常規(guī)固溶處理所達(dá)到的抗拉強(qiáng)度為486 MPa，伸長率為8.2%。這是因?yàn)?A04鋁合金在固溶時(shí)經(jīng)過脈沖磁場處理后，S相溶解程度要大于常規(guī)的固溶處理，更多的Mg、Zn、Cu等原子充分的溶解到了Al基體中，所達(dá)到的固溶強(qiáng)化效果更好，從而強(qiáng)度更高。固溶強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性通常會有所下降，因此施加脈沖磁場處理后的試樣的伸長率會有所下降。

圖5 470 ℃常規(guī)和脈沖磁場固溶60 min后 7A04鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the 7A04 aluminum alloy after conventional solution and pulsed magnetic field solution at 470 ℃ for 60 min

3 理論分析

金屬固溶處理過程中形成的過飽和固溶體主要是靠擴(kuò)散的影響，7×××系鋁合金固溶擴(kuò)散機(jī)制為交換機(jī)制。發(fā)生擴(kuò)散時(shí)原子需要克服遷移能和空位形成能[14]。

原子的擴(kuò)散系數(shù)可由式(1)求得：

Ds=D0exp(-Qs/RT)

(1)

式中：Qs為每摩爾原子的擴(kuò)散激活能，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，D0為擴(kuò)散常數(shù)，與原子的跳躍條件分?jǐn)?shù)，原子的振動頻率，間隙配位數(shù)等有關(guān)。

假設(shè)相同原子之間的距離為2λ，那么原子發(fā)生擴(kuò)散時(shí)距離滿足式(2)[15]：

(2)

式中：t為擴(kuò)散時(shí)間。

通過觀察脈沖磁場固溶處理與常規(guī)固溶處理圖片可以得出結(jié)論，脈沖磁場固溶處理可以有效地縮短擴(kuò)散時(shí)間。在擴(kuò)散距離為λ的情況下，擴(kuò)散時(shí)間縮短，原子的擴(kuò)散系數(shù)將會增大。

根據(jù)Helmholtz公式：

ΔA=ΔU-TΔS

(3)

式中：ΔA為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的自由能，ΔU由熱交換Q和環(huán)境的功W交換兩部分組成。在7A04鋁合金固溶處理中，ΔU由空位形成能u和空位數(shù)量n決定[16]，即

ΔU=Q+W=nu

(4)

與常規(guī)固溶相比，脈沖磁場以磁能[16]形式對系統(tǒng)做功，W取負(fù)值，故內(nèi)能增量ΔU減小和nu乘積減小，即擴(kuò)散激活能降低。

將式(1)兩邊取對數(shù)得：

(5)

圖6為lnDs與1/T關(guān)系圖，經(jīng)過脈沖磁場處理后，降低了強(qiáng)化相原子的擴(kuò)散激活能，即在相同的固溶溫度下，施加脈沖磁場后擴(kuò)散系數(shù)將會增大，在相同的擴(kuò)散條件下，施加脈沖磁場可以降低固溶溫度。這就意味著在相同的固溶溫度下，經(jīng)過脈沖磁場處理后，可以得到較高固溶溫度下原子的擴(kuò)散系數(shù)，可以加速難溶相的回溶以及強(qiáng)化相原子的擴(kuò)散速度。

圖6 lnDs與1/T關(guān)系圖Fig.6 Relationship between lnDs and 1/T

4 結(jié)論

1) 7A04鋁合金固溶處理過程中施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為30 mT的脈沖磁場時(shí)，可加速S相的分解，從而降低固溶時(shí)間。

2) 經(jīng)脈沖磁場+固溶處理后7A04鋁合金固溶組織的抗拉強(qiáng)度可顯著提升，由常規(guī)固溶工藝下的486 MPa提高到582 MPa，伸長率由8.2%降低為7.3%。

3) 7A04鋁合金脈沖磁場+固溶處理工藝中，脈沖磁場的施加影響了強(qiáng)化相原子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能，從而縮短固溶時(shí)間。該工藝為優(yōu)化高強(qiáng)鋁合金固溶處理提供了一個(gè)高效、節(jié)能的處理方案。