7059铝合金热处理工艺及力学性能研究

康 永

(榆林市瀚霆化工技术开发有限公司, 陕西 榆林 718100)

7XXX系铝合金是一种以锌为主，添加了少量镁、铜的铝合金，具有强度高、比重小、热加工性能好等特点[1]。7XXX系铝合金凭借着出众的力学性能，一举成为广泛应用于航空航天等领域不可或缺的结构材料之一，大量应用于飞机蒙皮、机翼、舱壁等领域。同时，现代汽车工业的快速发展，使得7XXX系铝合金在汽车轮毂中的使用成为不可或缺的材料。因此，目前对于7XXX系铝合金性能的优化已经成为研究热点之一。

提高材料的力学性能有改善合金成分、热处理、加工硬化等方法。改善合金成分通常的做法是向其中加入铈、铷、铒等稀土元素，以改善其晶粒大小及析出物形态，从而提高材料的性能[2]。加工硬化是对材料施加外力，使其表面产生塑性变形，从而使材料的硬度得到提高，但韧性会下降[3]。热处理的方法是通过将材料加热、保温、冷却使其内部组织形态发生改变，借此来提高材料的综合性能[4]。

通过研究利用热处理的手段提高7059铝合金的力学性能，以期获得一种较佳的7059铝合金热处理工艺。

1 实验方法

1.1 正交试验的设计

决定设计七因素三水平的正交试验，在因素A固溶温度下设置3个水平，分别为450 ℃，460 ℃，470 ℃；在因素B固溶时间下设置3个水平，分别为1 h，2 h，3 h；在因素C一级时效温度下设置3个水平，分别为100 ℃，110 ℃，120 ℃；在因素D一级时效时间下设置3个水平，分别为8 h，10 h，12 h；在因素E二级时效温度下设置3个水平，分别为0 ℃，155 ℃，165 ℃；在因素F二级时效时间下设置3个水平，分别为8 h，10 h，12 h；因素G为空列，正交试验如表1所示。

设置因素G空列是为了判断随机误差对试验的影响，倘若空列对试验结果超过另一因素，则说明影响因子低于空列的因素对试验结果无影响或者试验过程中出了其他问题，本次试验结果是无效的。在因素E二级时效温度的水平设置时加入0 ℃是为了考查单级时效和双级时效对试验结果的影响，当因素E为0 ℃时，认为合金的热处理工艺为固溶和单级时效，而当因素E不为0 ℃时，则认为合金的热处理工艺为固溶和双级时效。由于本次试验目的在于获得一种较佳的7059铝合金热处理工艺，故选择硬度作为正交试验的指标。

表1 正交试验表

1.2 正交试验的热处理

在固溶处理前，需要对热挤压得到的铝棒进行加工。经过挤压后所获得的铝合金棒材带有一定的弧度，需要通过一些手段对其进行矫直后，才能进行下一步加工，故先对其进行矫直。矫直后的铝棒需要切割成小短棒进行正交试验，由于7059铝合金属于超硬铝，而且接下来的试验需要对其进行硬度测试，需要两端平行，故采用线切割的方法对铝合金棒材进行加工，将其切割成19个Ф15 mm×15 mm小圆柱,按照正交试验表标1～18号，剩余的一个标记为0号不做热处理。

合金的固溶处理采用南京宝都仪器有限公司生产的SX2-4-10热处理炉，工作尺寸为300 mm×200 mm×120 mm，额定电压为220 V，功率为4 KW。为了缩短试验时间，减少能源消耗，采取分批取件的方法进行热处理，即将相同固溶温度的试样放入同一热处理炉中，当固溶时间达到1 h时，打开炉门，将该温度下固溶1 h的试样迅速取出后关闭炉门继续进行更长时间的固溶处理。为了方便取件，固溶处理时试样在炉内的摆放顺序如表2所示。

表2 固溶处理时试样在炉内的摆放顺序

每次从炉中取件后迅速将试样浸入水中进行淬火，注意淬火转移时间要尽可能少，最好不要超过5s。

对合金的固溶处理完成后，接下来进行时效处理。时效处理依旧使用的是南京宝都仪器有限公司生产的SX2-4-10热处理炉，同样采用分批取件的方法进行热处理。为了方便取件，进行一级时效处理时试样在炉内的摆放顺序如表3所示，二级时效时试样在炉内的摆放顺序如表4所示。

表3 一级时效处理时试样在炉内的摆放顺序

表4 二级时效处理时试样在炉内的摆放顺序

1.3 正交试验的硬度测试

采用布氏硬度法测量其硬度。布氏硬度采用573型布氏硬度试验机，操作规程按照表5布氏硬度试验规程进行。

由于材料采用线切割的切割方法，试样两端较为平行且平整，故不需要对试样做进一步的加工便可打硬度。根据布氏硬度试验规程，可以得出本次试验应采用的压头直径为10 mm，载荷为1000 kgf，加荷时间为30 s。在每个试样上选取相隔较远的3个点进行测试，之后利用显微镜量取压痕直径，试验后的压痕直径应在0.2D

(1)

式中：P为载荷,kgf；D为钢球直径,mm；d为压痕直径,mm。

表5 布氏硬度试验规程

1.4 正交试验的数据处理

(2)

根据极差R的大小，可以判断因素的主次影响顺序。R越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要，反之则越不重要，这时可以做因素与指标趋势图，帮助分析出指标与各因素水平波动的关系。然后根据各因素各水平的平均值确定优水平，进而选出优组合。依据正交试验选出优组合后，根据得到的热处理工艺对挤压态的棒材进行热处理。

1.5 拉伸性能测试

对热处理后的材料进行矫直并线切割成拉伸试棒，拉伸试棒尺寸如图1所示。拉伸试验在拉伸试验机上进行，拉伸时加载应变速率为2mm/min，整个试验过程严格按操作流程进行操作。

图1 试验所用拉伸试棒尺寸图

2 结果与讨论

2.1 布氏硬度的测试

根据正交试验表对试样进行热处理后，在每个试样上相隔较远的地方打3次布氏硬度，以保证结果准确。之后需对压痕直径进行测量并计算，测量数据及布氏硬度值如表6所示。

表6 布氏硬度试验数据

2.2 正交试验的极差分析

在得到各组试验的布氏硬度后，利用极差分析正交试验数据，先判断各因素的主次水平，然后得出各个因素的优水平，所有因素的优水平组合即为优组合，这样就通过正交试验得到了一个7059铝合金的热处理工艺，计算结果如表7所示。

为更好地分析试验数据，将其绘制成因素与指标趋势图，如图2所示。

图2 因素与指标趋势图

倘若某一因素对试验结果无影响，则该因素的不同水平的硬度值应相等，若对试验结果有影响，则其不同水平下的硬度便不同，而且该因素对试验结果的影响越大，则每个水平下的硬度差别也越大。从表7中可以看出，固溶温度的极差R最大，也就是固溶温度对试验结果的影响最大，根据极差R的大小排出各因素的主次水平：固溶温度>固溶时间>二级时效温度>一级时效温度>一级时效时间>二级时效温度。

在同一因素下，不同的水平对试验结果的影响不同，选择该水平下硬度最高的即为优水平，根据图2，选出各因素下的优水平为A3B3C3D3E3F2，即固溶温度470 ℃，固溶时间3 h；一级时效温度120 ℃，一级时效时间12 h；二级时效温度165 ℃，二级时效时间10 h。这样，就得到7059铝合金的最终热处理工艺为固溶470 ℃/3 h+一级时效120 ℃/12 h+二级时效165 ℃/10 h。

表7 正交试验数据处理

2.3 布氏硬度的对比

对采用最终热处理工艺的试样(编号为19)进行硬度测试，并与正交试验中的布氏硬度做对比，如图3所示。由图可见采用最终热处理工艺得到的试样在硬度方面均高于正交试验中的组合。

2.4 力学性能的对比

力学性能测试结果如表8所示。挤压态第三个拉伸试棒在试验过程中被损坏，故无试验数据。

从试验结果看，经过热处理后和挤压态相比其抗拉强度提高了256.667 MPa，达50.825%之多，但断后伸长率和断面收缩率均有所降低，考虑到7XXX系铝合金的用途，这些瑕疵是可以接受的。值得一提的是，挤压态的拉伸试棒的断口是沿45°方向斜断，如图4所示。热处理态的拉伸试棒的断口是杯状断口，如图5所示。

图3 因素与指标趋势图

表8 力学性能

图4 挤压态的拉伸试棒的断口

2.5 铸态与挤压态显微组织的对比

图6所示为7059铝合金铸锭经挤压后得到的挤压态棒材，从图中可以看出棒材表面光滑，无挤压裂纹、气泡起皮、麻面等热挤压缺陷。

图7为7059铝合金铸态及挤压态200倍金相显微组织照片。图7a为7059铝合金铸态组织，从图中可以看出7059铝合金的铸态组织为树枝晶，其中明亮的地区为Al基体，呈树枝状，而较暗的沿晶界分布着的是其他亚共晶组织。

图5 热处理态的拉伸试棒的断口

图7b为7059铝合金挤压态垂直于挤压方向的组织，从图中可以看出经过挤压后枝晶破碎，晶粒变得细小，而且由于合金的塑性流动，铸造中可能会存在的孔洞类缺陷会被焊合，使得材料变得更加致密，可以预见合金的挤压态力学性能相比铸态力学性能有较大的提升[5]。

图6 通过热挤压得到的铝合金棒材图

图7c为7059铝合金挤压态沿挤压方向的组织，从图中可以看出，组织由于被挤压的原因而呈现条带状，因此预测其力学性能会展现出各向异性。

通过查阅文献资料也证实了这些观点[6]，7059铝合金铸态时的抗拉强度为203 MPa，而经过热挤压后，其抗拉强度可以达到412 MPa，其断后伸长率也会由3.1%提升至8.5%。由此可见，微观组织决定材料的力学性能，而力学性能的好坏也能够在一定程度上预示着微观组织的好坏，力学性能和微观组织密不可分[7]。

a.铸态组织；b.垂直于挤压方向组织；c.沿挤压方向组织图7 铸态及挤压态的7059铝合金组织照片

2.6 最终热处理组织与正交试验组织的对比

图8为500倍金相显微镜镜下的组织照片。

图8a中，在经过450 ℃/1 h固溶+100 ℃/8 h时效后，第二相大量析出，但第二相较为粗大，且大量分布于晶界上。图8b中，在经450 ℃/2 h固溶+110 ℃/10 h+155 ℃/10 h时效处理后，析出第二相数量相对减少，但在晶界上析出的数目也减少，有相当多的第二相在内部析出。图8c中，经470 ℃/3 h固溶+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h时效后，几乎没有粗大的第二相析出，第二相都均匀细小地在整个基体上分布着。

a.450 ℃/1 h固溶+100 ℃/8 h时效；b.450 ℃/2 h固溶+110 ℃/10 h+155 ℃/10 h时效；c.470 ℃/3 h固溶+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h时效图8 7059铝合金热处理组织照片

对比图8a和图8b不难看出，7XXX系铝合金单级时效生成沿晶界分布的链状质点，在二级时效后会被打断并团聚成球状；对比图8b和图8c可以得到随着固溶温度的升高及保温时间的延长，可以使原本的第二相充分溶入基体中，之后会得到细小而弥散的组织。

2.7 扫描电子显微镜组织

采用扫描电子显微镜观察挤压态断口和热处理态断口的不同。图9为不同放大倍数下铸态7059铝合金拉伸试棒断口形貌。可以看到在挤压态拉伸试棒断口照片上有大量的韧窝存在，而且铸锭在经过挤压后晶粒平行于挤压方向分布，使得合金呈现一定的各向异性，表现出剪切断裂的特征，有一定塑性断裂的特征，为韧性断裂[8]。

a.500倍下断口形貌；b.1500倍下断口形貌图9 7059铝合金挤压态断口形貌

图10为热处理后7059铝合金拉伸试棒断口形貌。经热处理后由于强度极大提升，使得塑性锐减，从显微组织上也可看到冰糖状和河流花样，有解理断裂、沿晶断裂的痕迹[9]。此外，显微组织上也可以看到一些韧窝，虽然在数量上不及挤压态组织，但也表现出一定塑性断裂。综合以上分析，认为热处理后的合金断裂方式为以韧性断裂为主的韧脆混合断裂。

3 结论

(1) 通过正交试验可以判断出对7059铝合金硬度影响最大的因素为固溶温度，其次为固溶时间、二级时效温度、一级时效温度、一级时效时间、二级时效温度。

(2) 通过正交试验得到了一个较好的7059铝合金热处理工艺，即470 ℃/3 h+120 ℃/12 h+165 ℃/10 h。在此热处理工艺下可将抗拉强度从挤压态的505 MPa提升至761.7 MPa，此时仍有8.2%的断后伸长率和8%的断面收缩率，断裂方式由韧性断裂变为以韧性断裂为主的韧脆混合断裂。

a.500倍下断口形貌；b.1500倍下断口形貌，河流花样；c.1500倍下断口形貌，冰糖状图10 7059铝合金热处理态断口形貌