預(yù)時效處理對AlZnMgCu鋁合金自然時效和烘烤硬化行為的影響

徐向美, 王琪晨

(1. 煙臺理工學(xué)院 信息工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005;2. 中集海洋工程研究院有限公司, 山東 煙臺 264670)

7×××系A(chǔ)lZnMgCu鋁合金,由于具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度,被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通和海洋工程等多個領(lǐng)域[1-3]。在汽車工業(yè)領(lǐng)域,對于鋁合金的應(yīng)用,目前主要集中于5×××系和6×××系,這兩個系列的鋁合金成形性較好,被大量應(yīng)用在“四門兩蓋”等汽車內(nèi)外覆蓋件領(lǐng)域,但是其強(qiáng)度較低,難以實現(xiàn)承力結(jié)構(gòu)件的服役環(huán)境,未能充分發(fā)揮鋁合金的輕量化優(yōu)勢[4-6]。隨著全球“節(jié)能減排”和“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn),汽車工業(yè)領(lǐng)域的輕量化進(jìn)程需要進(jìn)一步推進(jìn),7×××系鋁合金的性能及應(yīng)用逐漸成為研發(fā)的熱點。

前期對于7×××系鋁合金在結(jié)構(gòu)件的實驗室研究和工業(yè)化應(yīng)用,主要集中在航空航天領(lǐng)域,其對7×××系鋁合金的質(zhì)量要求和加工流程與汽車工業(yè)界存在顯著不同。在航空航天領(lǐng)域,主要追求其原材料的高潔凈化和熱處理后零部件高的強(qiáng)度和疲勞性能,所以研究學(xué)者大多對其熔煉過程的鋁水凈化處理、合金元素的加入及收得率、人工時效制度對其微觀組織構(gòu)成和性能的影響等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究[7-9]。而在汽車工業(yè)領(lǐng)域,原材料后續(xù)需要進(jìn)行沖壓成形等工藝,不單追求原材料高的強(qiáng)度,還需要保證成形性能,并且服役環(huán)境也與航空航天有著顯著的區(qū)別。

本文對一種7×××系A(chǔ)lZnMgCu鋁合金的自然時效硬化效應(yīng)和預(yù)時效處理的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究,測試了人工時效硬化響應(yīng)和力學(xué)性能指標(biāo),旨在對7×××系鋁合金的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)支撐,助推其在汽車工業(yè)的應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用Al-7.05Zn-3.45Mg-1.95Cu-0.15Zr-0.15Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%) 7×××系鋁合金。經(jīng)真空爐熔煉后,在鑄錠取樣進(jìn)行DSC測試,如圖1所示,可以發(fā)現(xiàn)存在472～483 ℃的吸熱反應(yīng)區(qū)。因此選定均勻化溫度為450 ℃,保溫48 h;均勻化后的試樣經(jīng)熱軋和冷軋至1.8 mm的薄板,隨后在460 ℃進(jìn)行保溫30 min的固溶處理。鑄態(tài)組織和固溶處理后的組織如圖2所示。

圖1 試驗AlZnMgCu鋁合金的DSC曲線Fig.1 DSC curve of the tested AlZnMgCu aluminum alloy

圖2 試驗AlZnMgCu鋁合金的微觀組織(a)鑄態(tài);(b)固溶態(tài)Fig.2 Microstructure of the tested AlZnMgCu aluminum alloy(a) as-cast; (b) solution treated

固溶處理后的試樣,分別進(jìn)行如下熱處理試驗:①直接在室溫下進(jìn)行自然時效1～12天;②立即進(jìn)行預(yù)時效處理,預(yù)時效制度分別為在80、100和120 ℃時效10 min,隨后在室溫下分別進(jìn)行1～12天的自然時效處理。①和②的自然時效后,進(jìn)行180 ℃×20 min的人工時效處理(等效于汽車廠家的烘烤硬化過程)。

自然時效過程的試樣,每天用HV-1000 顯微維氏硬度計測試硬度,每個試樣測試9個點,去掉最大值和最小值后取平均值,測試載荷砝碼500 g,保持10 s。在CMT5105萬能拉伸試驗機(jī)測試?yán)煨阅?每種試樣測試3次,強(qiáng)度指標(biāo)取平均值,拉伸速率為0.25 mm/min。試樣經(jīng) HBF4(4 mL)+H2O(200 mL)溶液腐蝕后,利用Axio Imager M2m蔡司顯微鏡觀察顯微組織。試樣經(jīng)機(jī)械磨拋至50 μm左右后,利用15%高氯酸酒精溶液進(jìn)行電解雙噴,隨后用JEM-2010F透射電鏡表征微觀組織結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 AlZnMgCu鋁合金的自然時效行為及預(yù)時效處理的影響

圖3為試驗AlZnMgCu鋁合金固溶處理后的自然時效效應(yīng)及預(yù)時效處理的影響。由圖3可以看出,固溶處理后,自然時效過程中,試驗鋁合金的顯微硬度呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。在1～5天的時效過程中,硬度的上升速率快,由58 HV0.5快速增加到106 HV0.5,增加了82.8%,說明在此階段,自然時效硬化效應(yīng)明顯;在5～12天的自然時效過程中,硬度上升的速率變緩,由106 HV0.5提高到128 HV0.5,僅僅提高了20.8%,在此階段,自然時效硬化效應(yīng)變得緩慢。經(jīng)預(yù)時效處理后,AlZnMgCu鋁合金的顯微硬度均提高,且預(yù)時效溫度越高,初始硬度越大。80 ℃×10 min的預(yù)時效處理后,顯微硬度由58 HV0.5提高到62 HV0.5;而經(jīng)100 ℃×10 min和120 ℃×10 min的預(yù)時效處理后,顯微硬度分別提高到64 HV0.5和67 HV0.5。雖然預(yù)時效處理提高了AlZnMgCu鋁合金的初始硬度,但在隨后的自然時效過程中,硬度增加趨勢卻都變得緩慢。1～5天的時效過程中,硬度分別提升了45.2%(80 ℃)、32.8%(100 ℃)和25.6%(120 ℃),且經(jīng)歷12天的自然時效后,最終硬度也均小于固溶后直接自然時效的硬度,分別降低了8%(80 ℃)、20%(100 ℃)和24%(120 ℃)。由此可見,采用120 ℃保溫10 min的預(yù)時效處理,可以有效降低隨后室溫放置過程中的自然時效硬化現(xiàn)象。

圖3 自然時效及預(yù)時效對試驗AlZnMgCu鋁合金硬度的影響Fig.3 Influence of natural aging and pre-aging on hardness of the tested AlZnMgCu aluminum alloy

圖4為經(jīng)120 ℃保溫10 min的預(yù)時效處理后,室溫下自然時效效應(yīng)及對應(yīng)的180 ℃×20 min下的硬度變化曲線,圖4(a)中兩條曲線之間的區(qū)域即為硬化增量區(qū)間,圖4(b)為具體的硬度增量值。可以看出,自然時效硬化效應(yīng),在一定程度上消耗了AlZnMgCu鋁合金內(nèi)的固溶合金原子,降低了人工時效處理的硬化效應(yīng)。自然時效初期(0～5天),硬化增量在26～39 HV0.5的范圍變化,有50%的波動,波動較大;自然時效中后期(6～12天),硬化增量在22～26 HV0.5的范圍變化,僅有18%的波動范圍,波動較小。

圖4 試驗AlZnMgCu鋁合金烘烤前后硬度變化(a)及烘烤硬化區(qū)間(b)Fig.4 Evolution of micro-hardness(a) of the tested AlZnMgCu aluminum alloy before and after artificial aging and the bake hardening(BH) value(b)

圖5為固溶+自然時效處理試樣和固溶+預(yù)時效(120 ℃×10 min)+自然時效處理試樣的強(qiáng)度指標(biāo)及經(jīng)180 ℃×20 min的人工時效處理引起的強(qiáng)度指標(biāo)的變化。由圖5中可以看出,對于固溶處理后直接進(jìn)行自然時效的試樣,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為295 MPa和425 MPa;而預(yù)時效處理后進(jìn)行自然時效的試樣,則屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為295 MPa和465 MPa,二者并無明顯的區(qū)別。但是經(jīng)過180 ℃×20 min的人工時效處理后,自然時效試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低了38 MPa和65 MPa,降低了12.9%和15.3%;而預(yù)時效處理后的試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了165 MPa和48 MPa,提高了55.9%和11.2%。兩種工藝制度形成了明顯的對比,預(yù)時效處理過程AlZnMgCu鋁合金內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的變化,是引起其人工時效過程力學(xué)性能變化和硬化響應(yīng)區(qū)別的本質(zhì)因素[10-11]。

圖5 試驗AlZnMgCu鋁合金烘烤前后強(qiáng)度變化Fig.5 Change of strength of the tested AlZnMgCu aluminum alloy before and after artificial aging

2.2 預(yù)時效處理對AlZnMgCu鋁合金微觀組織的影響

已有研究發(fā)現(xiàn),7000系A(chǔ)lZnMgCu鋁合金在熱處理過程中合金原子的演變規(guī)律為SSSS→GP區(qū)(Cluster)→ η′→ η(MgZn2),GP區(qū)和η′過渡相與α-Al基體呈共格或者半共格關(guān)系,引起晶格畸變,起到強(qiáng)化基體的作用;而η(MgZn2)相,與基體呈非共格關(guān)系,且尺寸較大,對AlZnMgCu鋁合金的力學(xué)性能不利[12-13]。<100>Al方向為觀察和表征GP區(qū)和η′過渡相的最佳取向,圖6為不同熱處理狀態(tài)下的精細(xì)TEM組織和選區(qū)電子衍射(SAED)花樣。固溶+自然時效處理后,基體內(nèi)GP區(qū)尺寸大小不一,且分布不均勻,如圖6(a)所示;而經(jīng)預(yù)時效處理的試樣,在經(jīng)歷自然時效后,GP區(qū)尺寸較為平均,分布均勻,由SAED圖可以看出,此時的GP區(qū)與α-Al基體呈共格關(guān)系,如圖6(c)。經(jīng)過180 ℃×20 min的人工時效處理后,固溶+自然時效后的試樣基體內(nèi)η′粒子尺寸較大,且分布不均勻,這是由于在自然時效過程中形成的GP區(qū)和η′粒子尺寸大小不一,在人工時效過程中,大于臨界尺寸的GP區(qū)和η′粒子繼續(xù)長大,而小于臨界尺寸的GP區(qū)和η′粒子則發(fā)生回溶現(xiàn)象,如圖6(b)所示;而經(jīng)過預(yù)時效處理的試樣,自然時效+人工時效后,η′粒子尺寸均勻且彌散分布,與α-Al基體呈半共格關(guān)系,起到了明顯的時效硬化作用。

圖6 不同處理AlZnMgCu鋁合金的TEM精細(xì)形貌及選區(qū)電子衍射(SAED)花樣(a)自然時效;(b)自然時效+人工時效;(c)預(yù)時效+自然時效;(d, f)預(yù)時效+自然時效+人工時效Fig.6 TEM images and selected area electron diffraction(SAED) patterns of the AlZnMgCu aluminum alloy under different treatments(a) natural aging; (b) natural aging+artificial aging; (c) pre-aging+natural aging; (d) pre-aging+natural aging+artificial aging

3 結(jié)論

1) 預(yù)時效處理提高了AlZnMgCu鋁合金的初始硬度,但在隨后的自然時效過程中,硬度增加趨勢都變得緩慢。經(jīng)歷12天的自然時效后,最終硬度也均小于固溶后直接自然時效的硬度,分別降低了8%(80 ℃)、20%(100 ℃)和24%(120 ℃)。

2) 自然時效硬化效應(yīng),在一定程度上消耗了AlZnMgCu鋁合金內(nèi)的固溶合金原子,降低了人工時效處理的硬化效應(yīng)。預(yù)時效處理后的試樣,經(jīng)自然時效和180 ℃×20 min的人工時效處理后,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別增大了165 MPa和48 MPa,分別提高了55.9%和11.2%。

3) 固溶+自然時效處理后,基體內(nèi)GP區(qū)尺寸大小不一,分布不均;而經(jīng)預(yù)時效處理后,GP區(qū)尺寸較為平均,分布均勻,與α-Al基體呈共格關(guān)系。預(yù)時效+自然時效+人工時效后,η′粒子尺寸均勻且彌散分布,與α-Al基體呈半共格關(guān)系,起到了明顯的時效硬化作用。