優(yōu)化熱處理工藝及微合金成分提高Al-Zn-Mg-Cu合金板材強(qiáng)韌性（冶金）
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優(yōu)化熱處理工藝及微合金成分提高Al-Zn-Mg-Cu合金板材強(qiáng)韌性（冶金）
張 濤1,2，房洪杰1,2，孫 杰1，史春麗2
（1．煙臺南山學(xué)院，山東龍口265713；2.山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東龍口265713）
摘要：根據(jù)企業(yè)對某鋁合金板材綜合性能的要求，在試驗室完成了試制研究。在原A1．Zn-Mg-Cu合金成分基礎(chǔ)上，添加微量過渡族元素，優(yōu)化熱處理工藝，制備的鋁合金板材的性能滿足了用戶的使用要求，為該類鋁合金板材生產(chǎn)過程中的合金成分設(shè)計及熱處理工藝制定提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞：固溶處理；鋁合金板材；熔鑄；時效處理
中圖分類號：TC146. 21 文章編號：1007 -7235（2016）06 - 0031 - 03
企業(yè)要生產(chǎn)一種Al-Zn-Mg-Cu合金板材，其主要化學(xué)成分如表1所示，要求板材厚度為2 mm，其強(qiáng)度不低于600 N／mm2而伸長率要求大于12%。
1 試制
在試驗室中進(jìn)行試制并檢測。經(jīng)過熔鑄成扁錠，經(jīng)均勻化退火處理，在@250mm×350mm實驗熱軋機(jī)上軋制成4 mm的板材，再在0175mm×300mm試驗冷軋機(jī)上軋制成2mm的板材，經(jīng)固溶和人工時效處理后，對板材力學(xué)性能進(jìn)行檢測，抗拉強(qiáng)度為583 N/mm2，不符合用戶用對強(qiáng)度指標(biāo)的要求，伸長率為11.41%，也未達(dá)標(biāo)。
2 性能不達(dá)標(biāo)的原因分析
AI-Zn-Mg-Cu合金是一種時效強(qiáng)化合金，進(jìn)行固溶處理時需要合金成分最大限度溶解到基體中，便于后續(xù)時效處理時能夠析出足夠多的強(qiáng)化相，提高鋁合金的強(qiáng)度。針對制得的板材強(qiáng)度和塑性不符合用戶要求的情況，進(jìn)行了原因分析。
2.1對拉伸試樣斷口掃描分析
對電子萬能試驗機(jī)拉斷的試樣通過掃描電鏡進(jìn)行掃描，如圖1所示。從圖1可以看出，斷口出現(xiàn)如下特征：第一，晶界裂紋較多，屬于典型的沿晶斷裂，影響強(qiáng)度和塑性；第二，晶粒較為粗大，影響了綜合性能；第三，整個斷面幾乎沒有韌窩，韌性較差，綜合性能不佳；第四，在放大800倍的情況下觀察到了明顯的彌散析出相（圖1中的亮點部分），分布較為集中，顆粒粗大。
2.2對合金的鑄態(tài)組織進(jìn)行分析
針對板材晶粒粗大現(xiàn)象，對制取板材的鑄錠組織進(jìn)行分析，為保證分析清晰，采用德國蔡司顯微鏡進(jìn)行觀察。從圖2中，可見鑄錠組織晶粒較為粗大，還存在成分分布不均勻現(xiàn)象。一般地說，材料的晶粒越細(xì)小，合金成分分布就越均勻，材料的強(qiáng)度和韌性會越高。為了提高該鋁合金板材的強(qiáng)韌性，需要從鑄態(tài)組織開始進(jìn)一步細(xì)化晶粒，優(yōu)化合金成分，使其成分分布均勻。
2.3對制備的板材熱處理制度分析
1)固溶處理
所加工的鋁合金板材的固溶處理溫度為470℃，保溫時間為1h，在鹽浴爐中加熱、保溫，溫度控制儀表準(zhǔn)確，還通過了溫控儀進(jìn)行精確調(diào)控，考慮到板材厚度較薄，保溫時間能夠符合工藝要求。因為Al-Zn-Mg-Cu鋁合金容易生成Al Zn Mg Cu相，該相的熔點較低，一般為474℃，所以470C固溶保溫溫度是最佳溫度。
2)時效處理
時效處理主要是過飽和固溶體析出彌散強(qiáng)化相，提高鋁合金強(qiáng)度，析出的彌散強(qiáng)化相越多，晶粒越細(xì)小，分布越均勻，鋁合金強(qiáng)度就越高，塑性和韌性就越好。
隨著時效處理保溫時間延長，析出彌散相越多，鋁合金強(qiáng)度提高，但是并不是時間越長越好，因為保溫時間過長，會引起過時效，使硬度和強(qiáng)度降低。
所測試的鋁合金板材時效處理溫度為120℃，保溫時間為14h。該鋁合金板材合金元素含量高，合計高達(dá)13.4%，保溫時間14h有些短。人工時效處理時間最好是選擇為24h。
綜上所述，需要對該鋁合金板材優(yōu)化其合金成分，細(xì)化晶粒；優(yōu)化其熱處理制度，提高析出相的數(shù)量。
3 解決方案
3.1 添加微量過渡族元素Cr
其主要目的是讓Cr元素在鋁中形成的中間化合物( Cr Fe) Al17和(Cr M n) Al12等，它們可以抑制再結(jié)晶的形核和長大過程，使鋁合金的強(qiáng)度和韌性有所提高，故添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Cr。對添加Cr后的鋁合金鑄態(tài)組織觀察，如圖3所示，它與原來的鑄態(tài)組織（圖2）相比其晶粒明顯細(xì)小一些，其尺寸不到原來的1/2。有利于材料強(qiáng)韌性的提高。
3.2調(diào)整時效處理制度
時效制度的加熱溫度仍為120℃，保溫時間由原來的14 h調(diào)整為24 h。
采用上述兩項措施后，該鋁合金板材抗拉強(qiáng)度達(dá)到605 N/mm2，屈服強(qiáng)度達(dá)到569 N/mm2，伸長率達(dá)到13. 02%。強(qiáng)韌性提高了，完全達(dá)到用戶對該鋁合金板材所要求的性能指標(biāo)。其斷口掃描組織如圖4所示。改進(jìn)方案后制取的鋁合金板材斷口形貌（圖4）與未改進(jìn)之前斷口形貌相比（圖1），析出的彌散相細(xì)小、量多，韌窩增多，韌窩較深，韌性得到明顯改善。
4 結(jié)束語
通過調(diào)整時效處理保溫時間，延長為24 h，合金成分中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的過渡族元素Cr，提高了該Al-Zn-Mg-Cu合金板材的抗拉強(qiáng)度和伸長率，使該鋁合金板材強(qiáng)韌性提高，能夠滿足用戶的使用要求。
