Cu 含量对7003铝合金挤压材组织与性能的影响

2018-05-09林玉金胡权杜勋贵周楠

世界有色金属 2018年4期

林玉金，胡权，杜勋贵，周楠

（1佛山市三水凤铝铝业有限公司，广东佛山 528100；2广东省材料与加工研究所，广东广州510651）

铝合金具有密度小、耐腐蚀、可回收利用等优点，在交通运输工具上的应用日益扩大，采用高强度铝合金制造大型结构件是实现交通运输工具轻量化的有效措施[1-3]。7003铝合金是可热处理强化的Al-Zn-Mg系铝合金，具有优良的焊接性能、抗弹性能和较好的挤压加工性能[4]。但7003铝合金的强度仍然偏低，难以满足交通运输工具大型结构件的制造要求。Al-Zn-Mg-Cu系合金属于超高强度铝合金，如7050、7075和7085合金等，但这些牌号的铝合金由于Zn、Mg含量较高，特别是加入了大量的Cu元素，虽然提高了合金的强度和抗应力腐蚀性能，但也损害了合金的焊接性能，无法满足大型结构件的焊接工艺要求[5]。为了满足交通运输工具大型结构件对高强可焊铝合金的需求，本文在7003铝合金基础上添加微量的Cu元素，研究了Cu含量对7003铝合金挤压材组织与性能的影响。

1 实验材料与方法

实验材料为7003铝合金，采用铝锭（99.85%，质量百分比，下同）、镁锭（99.95%）、锌锭（99.9%）熔炼配制，经SPECTROMAX光电直读光谱仪测定，7003铝合金的化学成分为：Zn 6.01%，Mg 1.12%，Si 0.075%，Fe 0.089%，余量为Al。实验设备为200kg熔铝炉和半连续铸造机。在熔铝炉内于760℃加热熔化7003铝合金，分别添加0、1%、2%和3%的Al-20Cu合金（对应7003铝合金中的Cu含量分别0、0.2%、0.4%和0.6%），再加入0.2%的Al-5Ti-1B合金杆进行晶粒细化处理，经精炼除气除渣和静置保温30分钟后，将铝合金液半连续铸造成直径100mm的7003铝合金圆棒。

在25kW箱式电阻炉内将7003铝合金圆棒加热至420℃保温2小时，再升温至 460℃继续保温24小时进行均匀化处理，然后用水雾强制冷至室温。将铝合金圆棒表面去皮后加热到420℃，在630吨挤压机上挤压成宽60mm、厚6mm的7003铝合金板材，挤压模具温度为400℃，挤压比为20∶1，挤压速度为1.2m/min。将铝合金挤压板材在470℃固溶处理2小时，水淬后，在130℃人工时效24小时，最后随炉冷却到室温。

在7003铝合金圆棒和挤压板材上分别取样，试样经磨制、抛光后，用2.5%HNO3+1.5%HCL+1%HF（体积百分数）的混合酸水溶液腐蚀，在LEICA-WCW3000金相显微镜上进行观察。分别用JEOLJXA-8100型扫描电镜电子探针和DMAX-NYP型X-射线衍射仪对挤压板材试样的物相构成进行分析。在固溶时效处理后的铝合金挤压板材上沿挤压方向取样并加工拉伸试样，在WSC200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率2mm/min，拉伸试样的形状尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样的形状尺寸（单位：毫米）

图2 不同Cu含量的7003铝合金圆棒的显微组织（a）0%，（b）0.2%，（c）0.4%，（d）0.6%

图3 不同Cu含量的7003铝合金挤压材的显微组织（a）0%，（b）0.2%，（c）0.4%，（d）0.6%

图4 7003铝合金挤压材的X射线衍射图谱

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

图2为7003铝合金圆棒的显微组织。从图2可看到，7003铝合金圆棒的显微组织由α-Al枝晶晶粒和晶间共晶相组成。7003铝合金半连续铸造的凝固过程属于非平衡凝固过程，当合金液冷却到液相线温度以下时，首先从合金液中析出α-Al晶核，然后Al原子不断向α-Al晶核表面沉积，α-Al晶核开始以树枝状方式不断凝固长大成α-Al枝晶晶粒。随着合金液的持续凝固，液相成分发生变化，固液界面前沿的溶质元素Zn、Mg、Cu不断向残留液相扩散富集，并在液相和固相内造成成分梯度，引起扩散现象和溶质再分配。当温度降低到合金的共晶转变温度时，α-Al枝晶晶间的液相发生共晶转变，在晶界上逐渐析出由MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg相共同构成的多元非平衡共晶组织[6，7]。从图2可看到，未加Cu元素时，7003铝合金圆棒的α-Al枝晶尺寸较为粗大，由于晶间共晶组织的数量相对较少，导致晶界较为细小且不连续，如图2（a）所示。随着Cu含量的增加，7003铝合金圆棒的α-Al枝晶尺寸略有减小，由于晶间共晶组织的数量增多，晶间变宽并形成连续网状，如图2（b）-（d）所示。

图3为7003铝合金挤压材的显微组织。7003铝合金圆棒经过高温均匀化处理，部分共晶相MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg得到溶解，Zn、Mg、Cu元素溶入到铝基体中，降低枝晶成分的微观偏析，并消除铸棒的残余应力，从而可以提高合金的塑性和挤压性能[8]。从图3可看到，7003铝合金圆棒经均匀化处理和挤压成形后，α-Al枝晶和晶间连续网状共晶组织已消失，未完全溶解的共晶相MgZn2、AlZnMgCu和Al2CuMg弥散分布在铝基体上。随着Cu含量的增加，铝基体上分布的弥散相的数量也越多。

图4为Cu含量为0.6%的7003铝合金挤压材的X射线衍射图谱（XRD谱）。XRD谱显示，7003铝合金挤压材的显微组织由α-Al、MgZn2和Al2CuMg相组成，但未发现AlZnMgCu四元非平衡共晶相的衍射峰。文献[6]认为AlZnMgCu四元非平衡共晶相具有MgZn2的晶体结构，XRD谱中MgZn2相对应位置的衍射峰同时也包括了AlZnMgCu相的衍射峰。图5为Cu含量为0.6%的7003铝合金挤压材的扫描电镜显微组织图，根据扫描电镜电子探针分析结果，条带状物为AlZnMgCu相，粗大块状物为Al2CuMg相，如图5（a）所示，而弥散分布在α-Al基体上的细小片状物为MgZn2相，如图5（b）所示。

图5 7003铝合金挤压材的扫描电镜显微组织

图6 7003铝合金挤压材的拉伸力学性能随Cu含量的变化曲线

2.2 力学性能

图6为固溶时效处理后7003铝合金挤压材的拉伸力学性能随Cu含量的变化曲线。从图6可看到，随着Cu含量从0逐渐增加到0.6%，7003铝合金挤压材的抗拉强度逐渐升高，但上升速率逐渐下降，伸长率先逐渐升高，当Cu含量超过0.4%时，伸长率开始下降。未添加Cu元素的7003铝合金挤压材的抗拉强度为387.2MPa，伸长率为14.5%。当Cu含量增加到0.6%时，7003铝合金挤压材的抗拉强度为439.4MPa，伸长率为15.9%，抗拉强度和伸长率分别提高了13.5%和9.7%。

7003铝合金是时效强化型合金，通过固溶处理，合金元素Zn、Mg溶入到铝基体中形成过饱和固溶体，并通过淬火将固溶体组织稳定下来[9]。在随后的时效过程中，溶质原子有一个脱溶析出过程，其脱溶序列为GP区→η'相→η相。GP区是Mg、Zn原子在Al基体中某一晶面上偏聚形成的原子偏聚区，与Al基体完全共格，对合金能起到强化作用，但强化作用没有η'相明显。η'相是MgZn2的过渡相，与铝基体呈半共格关系，在合金塑性变形时，能强烈阻碍位错运动，增强合金的强度。η相是MgZn2的平衡相，尺寸粗大且与铝基体呈非共格关系，基本没有强化效果[10]。由此可见，Al-Zn-Mg合金的时效强化效果主要取决于GP区和η'相。但在7003铝合金基础上添加Cu元素，Cu元素本身可以固溶到铝基体中起到固溶强化作用，提高7003铝合金的强度。另外，添加Cu元素还可以提高MgZn2沉淀相的弥散度，进一步提高7003铝合金的强度。从图6可看到，在7003铝合金基础上添加Cu元素可显著提高合金的强度，并且随着Cu含量的增加，7003铝合金挤压材的抗拉强度逐渐升高。但随着Cu含量的增加，也会增加Al2CuMg和Al7Cu2Fe金属间化合物的生成，金属间化合物都是脆性相[11]，其塑性变形时与铝基体的变化速率不一致，容易导致界面处产生应力集中，成为断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，反而使合金的塑性下降。基体上。

（2）随着Cu含量的增加，7003铝合金挤压材的抗拉强度逐渐升高，但上升速率逐渐下降，伸长率先升高，当Cu含量超过0.4%时，伸长率开始下降。

（3）当Cu含量为0.6%时，7003铝合金挤压材的抗拉强度为439.4MPa，伸长率为15.9%，与未添加Cu元素相比，挤压材的抗拉强度和伸长率分别提高了13.5%和9.7%。