热处理参数对超高强铝合金硬度的影响

李 恒，汪永红，鄂孔元，邓小利，李春红

(重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 沙坪坝 401331)

超高强铝合金具有高的比强度和硬度［1］、易于加工、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点［2－3］，广泛应用于航空航天领域，并成为这个领域中重要的结构材料之一［4－6］.现代航空航天工业的发展对铝合金的综合性能提出了更高的要求，开发各种新型热处理工艺技术以提高铝合金的综合性能已成为现时一项很重要的内容［7］.本文对超高强铝合金的热处理工艺进行研究，研究了不同的时效温度、固溶时间、时效时间组合对超高强铝合金硬度的影响作用［8－10］，并通过正交分析确定了该组合中最佳的热处理方案，为进一步研究和开发超高强、高韧、高均匀铝合金的生产工艺奠定基础［11－12］.

1 实验材料及方法

试样经过铸造、均匀化处理后，挤压成Φ10 mm的小棒材.试样中的合金元素成分如表1所示.在天平上称取14.160 mg试样，挤压后，利用差热分析仪NETZSCHSTA409对其进行差热分析，加热最终温度设置为700℃，加热速度为10 Kmin.试验结果如图1所示.由图1可知，温度达到465.2℃时，曲线开始出现波动，由此可知在465.2℃到终止温度487.5℃的过程中热稳定性不好，容易发生过烧现象，所以本试验固溶温度定为460℃，固溶时间分别为400、60、200 min，时效温度分别为 130、150、170 ℃，时效时间分别为10、15、20 h.通过正交分析法设计实验次数，具体实验方案如表2.挤压后的试样和热处理后的试样分别在TH600数显布氏硬度试验机上进行硬度测量，压头直径10 mm，试验力1 500 N，每个试样测试3次，求平均值.试样经磨抛处理后，用混合酸浸蚀，在日本奥林巴斯GX71金相显微镜上进行显微组织观察.

图1 热重分析曲线和差热分析曲线

表1 铝合金试样的化学成分

表2 正交实验设计方案

2 实验结果及分析

对热处理后的试样进行布氏硬度测量，结果如表3(表中数据为对每个实验数据测试3次后的结果取平均值)所示.从表3可知，经过热处理后的试样硬度比挤压后试样的硬度大很多.由于实验过程中存在环境、仪器、人为等因素，引起实验误差，因此对测得的实验数据进行方差分析.结果如表4(其中A、B、C分别为时效时间、时效温度、固溶时间，S误为误差因数，F值为各因数均方除以误差均方)所示.

从分析结果可知，在本实验参数范围内，时效温度对硬度的影响较显著，固溶时间、时效时间对硬度的影响不显著，影响的大小顺序为时效温度、固溶时间、时效时间.对因素A、B和C分别计算出每一水平时的3次试验的指标和以及平均指标，结果如表5所示.由表5中数据知，KA1=176.9，KA2=176.6，KA3=175.1，KB1=179.4，KB2=184.4，KB3=164.9 ，KC1=174.3，KC2=178.3，KC3=176.1(Kjm为第j列因素 m 水平所对应的试验指标和的平均值).故而极差RA=1.8，RB=19.5，RC=4.显然 RA＞ RC＞ RB，所以 A 因素对7系铝合金硬度影响最显著，C因素次之，B因素最不明显.最终确定最佳的热处理工艺参数组合为:时效时间10 h，时效温度150℃，固溶时间200 min.

表3 挤压后和热处理后的各试样对应的布氏硬度平均值

表4 各试验因素对硬度影响的方差分析

表5 各试验因素对应的实验指标值

图2 不同方法处理后的显微组织形貌

试样的金相显微形貌如图2所示.试样经均匀化退火后，枝晶偏析消除，非平衡相溶解，溶质的浓度逐渐均匀化［13］，如图2(a).同时，均匀化退火可降低变形抗力，减少变形功消耗，提高设备生产效率，均匀化退火可消除铸锭残余应力，改善铸锭的机械加工性能.挤压后的试样晶界消除［14］，金相组织密度变得比挤压前高，如图2(b).试样经固溶时效后晶内析出细小的弥散相［15］，晶界分布着连续链状相，如图2(c、d).由于固溶强化和析出相的作用，合金的性能大大提高.

3 实验结论

1)由热重分析DTG和差热分析DTA曲线可知铝合金的固溶温度应控制在465.2℃之前，在465.2℃ ～487℃之间会发生过烧现象.

2)在固溶温度为460℃，固溶时间为400、60、200 min，时效温度为130、150、170 ℃，时效时间为10、15、20 h下，各参数对硬度的影响为:时效温度最大，固溶时间次之，时效时间最低.最佳的热处理方案为:时效时间10 h，时效温度150℃，固溶时间200 min.

3)试样经均匀化退火后，枝晶偏析消除，经挤压后的试样晶界被破坏，热处理在晶内附近分布有大量细小的第二相，晶界上共晶化合物基本上呈连续网状分布。由于固溶强化和析出相的作用，合金的性能大大提高.

［1］蹇海根，姜锋，徐忠艳，等.航空用高强韧Al－Zn－Mg－Cu系铝合金的研究进展［J］.材料热处理，2006，35(12):61 －66.

［2］宁爱林，刘志义，郑青春，等.分级固溶对7A04铝合金组织与性能的影响［J］.中国有色金属学报，2004，14(7):1211 －1216.

［3］曾渝，尹志民，朱远志，等.热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响［J］.矿冶工程，2004，24(3):67－69.

［4］戴晓元，夏长清，孙振起，等.A1－9.0Zn－2.5Mg－1.2Cu－0.12Sc－0.15Zr合金的组织和性能［J］.中国有色金属学报，2007，17(3):396 －401.

［5］刘晓涛，崔建忠.Al－Zn－Mg－Cu系超高强铝合金的研究进展［J］.材料导报，2005，19(3):47－51.

［6］冯春，刘志义，宁爱林，等.超高强铝合金RRA热处理工艺的研究进展［J］.材料导报，2006，20(4):98－101.

［7］陈康华，刘允中，刘红卫.7075和2024铝合金的固溶组织与力学性能［J］.中国有色金属学报，2000，10(6):819－822.

［8］梁岩，孙荣滨.7A04铝合金铸锭均匀化热处理研究［J］.轻合金加工技术，2008，36(8):9－21.

［9］冯正海.超高强铝合金的固溶处理及双级时效研究［J］.轻合金加工术，2009，37(10):52－54.

［10］彭速中.高强铝合金7B04强韧化固溶时效热处理工艺的研究［J］.合金与热处理，2004，156(3):49－54.

［11］李春梅，曾苏民，甘秉太，等.7711超高强、超高韧、高均匀铝合金研究［J］.西南师范大学学报:自然科学版，2004，29(4):618 －622.

［12］孙洪军，杨兴玲.超高强铝合金的发展［J］.机械工程师，2007，(9):41 －43.

［13］李云，尚彦凌，王忠堂，等.7075铝合金管材挤压成形及对性能影响［J］.热加工工艺，2002(6):44－45.

［14］段玉波，唐剑，曾苏民.阶段均匀化处理对7A04合金均匀化程度和过烧温度的影响［J］.合金与热处理，2003(3):23－27.

［15］徐忠艳，赵文清，刘洪.7175铝合金锻件毛坯高温均匀化处理工艺研究［J］.轻合金加工技术，2002，30(8):39－48.