均勻化工藝對(duì)7005鋁合金組織的影響

均勻化工藝對(duì)7005鋁合金組織的影響

7005鋁合金是中等強(qiáng)度的al-zn-mg合金。它具有廣闊的強(qiáng)度、良好的焊接性能和工藝性。它是航空航天推進(jìn)器、地面車輛和設(shè)備的主要焊接結(jié)構(gòu)材料。廣泛用于高速列車的制造。近幾十年來(lái),開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高韌鋁合金新材料成為鋁合金發(fā)展的主要方向。由于7005合金中含有較高的Zn、Mg元素,鑄造鋁合金中容易生成非平衡結(jié)晶,并容易產(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶偏析和區(qū)域偏析;并且基體中的主要元素處于過(guò)飽和狀態(tài),在快速冷卻過(guò)程中,在鑄錠內(nèi)部形成很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力,這種枝晶網(wǎng)狀組織使得合金的壓力加工性能變差,制品的強(qiáng)韌性降低,并增加了各向異性和腐蝕敏感性。因此,在擠壓生產(chǎn)前要進(jìn)行均勻化處理,以消除枝晶偏析,消除內(nèi)應(yīng)力,使非平衡產(chǎn)物溶解,脆性過(guò)剩相的總量減少,以及有骨絡(luò)狀分叉組織的平衡過(guò)剩相轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形球狀晶,從而提高材料的熱變形能力和冷變形能力。本文主要研究7005合金在不同均勻化處理制度下所得到的金相組織,通過(guò)對(duì)金相組織和斷口形貌的分析研究,確定合金的過(guò)燒溫度。研究結(jié)果對(duì)7005鋁合金的實(shí)際生產(chǎn)有重要意義。1試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)用7005鋁合金擠壓棒坯采用電爐熔煉和半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn),鑄造過(guò)程中采用泡沫陶瓷過(guò)濾,Al-Ti-B絲細(xì)化晶粒,鑄棒大小為ue788220mm×4000mm,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。均勻化處理試樣尺寸為ue788220mm×220mm的棒料,采用電阻爐分別在470、480、500、530、545、550、560、580、600和610℃溫度下進(jìn)行10h均勻化處理,鑄棒均勻化處理后空冷。本試驗(yàn)采用SSX-550型掃描電鏡、AX10萬(wàn)能研究級(jí)倒置式材料金相顯微鏡和ARLMA-283直讀光譜儀等設(shè)備對(duì)材料的顯微組織及化學(xué)成分進(jìn)行分析。試驗(yàn)中使用的RX4-60-8箱式電阻爐,升溫速率可以控制在5℃/min,保證材料均勻受熱。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1非平衡共晶體材料的組織采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察7005合金的組織形貌,如圖1所示。由于合金中合金化元素含量較高,其鑄態(tài)組織存在嚴(yán)重的枝晶偏析,各晶界間分布著大量細(xì)小的第二相,各晶粒周圍包圍著大量的枝晶網(wǎng),枝晶臂間存在著大量的結(jié)晶相。這種網(wǎng)狀的枝晶組織使材料的脆性增大、塑性降低,嚴(yán)重影響材料的使用性能。由圖1可知,組織中有深灰色塊狀的結(jié)晶相和淺灰色骨骼狀的共晶體。在晶界附近和枝晶間是主要合金元素富集區(qū),存在嚴(yán)重的枝晶偏析。箭頭1、2所指深灰色塊狀的結(jié)晶相含有Al、Cu、Fe、Zn等元素,可能是Al7Cu2Fe相和ZnAl6相;箭頭3淺灰色骨骼狀的共晶體含有Al、Fe、Mn、Si等元素,可能是AlFeMnSi相。7005合金平衡冷卻凝固時(shí),各種元素應(yīng)溶入基體中,不應(yīng)該出現(xiàn)共晶反應(yīng)。這是由于在半連續(xù)鑄造冷卻過(guò)程中發(fā)生非平衡凝固,導(dǎo)致大量的合金元素聚集,形成大量的非平衡共晶體。所以此種合金在鑄造后必須進(jìn)行均勻化處理使合金中的可溶性相溶入基體,最大地減少基體中殘留的結(jié)晶相,提高合金的塑性和抗疲勞斷裂性能,使合金元素溶解充分,提高合金的時(shí)效強(qiáng)化潛力。2.2均勻化過(guò)程及能譜分析圖2為7005合金鑄錠經(jīng)過(guò)相同時(shí)間均勻化處理后的金相組織,與圖1鑄態(tài)組織相比可見(jiàn),經(jīng)過(guò)545℃×10h、550℃×10h、560℃×10h和580℃×10h均勻化處理后,非平衡共晶數(shù)量明顯減少,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基本不連續(xù),合金中部分第二相溶入基體當(dāng)中,合金中強(qiáng)化相分布較為均勻。在圖2(a)的組織中依然有部分枝晶結(jié)構(gòu),晶內(nèi)還存在第二相,但第二相的體積明顯變小。在圖2(b)中,隨著均勻化溫度的提高,晶界細(xì)小光滑,枝晶結(jié)構(gòu)基本消失,已溶入基體中,共晶組織已經(jīng)開(kāi)始熔化;此時(shí)在金相圖中有共晶復(fù)熔現(xiàn)象產(chǎn)生,在晶粒內(nèi)部及部分晶界交匯處產(chǎn)生復(fù)熔球,確定在此溫度合金發(fā)生過(guò)燒。繼續(xù)提高均勻化溫度如圖2(c)、2(d)所示,發(fā)現(xiàn)組織中復(fù)熔球的數(shù)量增多和體積明顯變大,并且存在大量的復(fù)熔三角區(qū),局部出現(xiàn)晶界加粗,說(shuō)明此溫度下合金已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)燒。7005合金半連續(xù)鑄錠在550℃均勻化處理10h的金相組織及能譜分析結(jié)果如圖3所示。可見(jiàn)組織中殘留較多的未溶第二相,其成分與T(Al2Mg2Zn3)相極其相似,可以確認(rèn)為Al2Mg2Zn3相;大塊相為S(CuMgAl2)相和AlFeMnSi;基體中析出的小條點(diǎn)狀相為MgZn2相。3共晶組織的擴(kuò)散影響合金均勻化處理的主要因素有溫度、保溫時(shí)間、均勻化處理后冷卻速度,其中溫度的影響最大。在低溫處理時(shí),合金元素?cái)U(kuò)散系數(shù)低,金屬間化合物融入基體的速度較慢。對(duì)于低熔點(diǎn)的共晶體來(lái)說(shuō),均勻化初期已有大量溶解到基體中,繼續(xù)增加保溫時(shí)間擴(kuò)散效果很不明顯;而高溫共晶體沒(méi)有達(dá)到溶解溫度,擴(kuò)散就更加難以進(jìn)行,所以7005合金在545℃進(jìn)行熱處理時(shí)依然有部分枝晶結(jié)構(gòu)存在,沒(méi)有共晶組織發(fā)生溶化。隨著熱處理溫度升高到550℃時(shí),枝晶結(jié)構(gòu)基本消失溶入基體中,共晶組織已經(jīng)開(kāi)始熔化。當(dāng)均勻化溫度達(dá)到560℃以上時(shí),發(fā)現(xiàn)組織中復(fù)熔球的數(shù)量和體積明顯變大,并且存在大量的復(fù)熔三角區(qū),局部出現(xiàn)晶界加粗,此時(shí)合金過(guò)燒現(xiàn)象已經(jīng)很明顯。從圖1和圖3的分析結(jié)果可知,7005半連續(xù)鑄造合金鑄態(tài)組織中除了Al基體外,還存在大量的AlFeMnSi共晶體和一定量的Al7Cu2Fe相似相;而Al7Cu2Fe的含F(xiàn)e相隨著溫度的升高沒(méi)有溶入基體中,一直處于晶界處。為保證半連續(xù)鑄錠的均勻化效果應(yīng)該嚴(yán)格控制均勻化溫度。4半連續(xù)鑄造4005合金過(guò)燒及結(jié)晶相(1)半連續(xù)鑄造7005合金鑄態(tài)組織存在嚴(yán)重的枝晶偏析,各晶界間分布著大量細(xì)小的第二相,各晶粒周圍包圍著大量的枝晶網(wǎng),枝晶臂間存在著大量的結(jié)晶相。(2)半連續(xù)鑄造7005合金過(guò)燒溫度為550℃,隨著均勻化處理溫度的提高,7005合金過(guò)燒程度不斷加重。當(dāng)均勻化溫度達(dá)