高合金化AlZnMg合金单级时效工艺研究

魏啟金 盛晓菲 吴云波

摘  要：文章以Al-8.31Zn-2.46Cu-2.07Mg-0.12Zr为研究对象，通过DSC，硬度测试，研究该合金的单级时效工艺，得到如下结论：（1）合金固溶温度不能超过474.5℃。结合现实操作中的温度波动，保证合金不会发生过烧，温度控制在465℃较为合适。（2）合金合适的时效温度为120℃，峰值硬度为192HV。最佳单级时效峰时效工艺为120℃时效18h。

关键词：高合金化;Al-Zn-Mg;单级时效

中图分类号：TG 146.21     文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）32-0114-02

Abstract： In this paper， Al-8.31Zn-2.46Cu-2.07Mg-0.12Zr was used as the research object. The single-stage ageing process of the alloy was studied by DSC and hardness test. The conclusions were as follows： 1. The alloy solution temperature could not exceed 474.5 °C. Combined with the temperature fluctuations in the actual operation， it is guaranteed that the alloy will not be over-fired， and the temperature control at 465 ° C is more suitable. 2. The suitable aging temperature of the alloy is 120 ° C and the peak hardness is 192 HV. The best single-stage ageing peak aging process is 18h at 120°C.

Keywords： high alloying; Al-Zn-Mg; single-stage ageing

AlZnMg合金具有强度重量比高、材料断裂韧性性能优异、抗疲劳性能好等优异性能，是航空、航天和轨道交通等重要领域的重要结构材料[1]，也是汽车轻量化材料的选择之一[2]。AlZnMg合金的高强度源于该合金为典型的时效强化铝合金，合金主要依靠细小弥散的第二相强化，其主要强化相为η（MgZn2）相[3]。铝合金的时效析出过程属于固态相变的一种，通过固溶处理，让溶质原子溶入基体，淬火后保持过饱和固溶体至室温状态，在时效过程中，溶质原子析出，形核长大成强化相，晶内析出细小的共格或半共格弥散相，随着时效温度的升高和时效时间的延长，强化相的尺寸会长大，甚至转变成强化效果很弱的平衡相，影响合金的强度，因此，制定时效强化型铝合金的合适的时效工艺尤为重要，能够最大限度发挥出高合金化AlZnMg合金的性能潜力。本文以高合金化AlZnMg合金为研究对象，对其单级时效的性能变化进行研究，为高合金化AlZnMg合金的工业应用提供一定的理论参考。

成分分析在电感耦合等离子体发射光谱仪ICAP6300上进行。DSC曲线通过STA 449C同步热分析仪测量。硬度测试设备为HV-5型小负荷维氏硬度计（2008年，中国莱州），使用载荷为2kg，加载时间均为15s。

1 AlZnMg合金成分及固溶工艺

AlZnMg合金时效强化的基础是超饱和固溶体，让溶质原子充分溶解进基体，在时效过程中析出，成为强化基体η（MgZn2）相，才能保证AlZnMg合金超高强度，因此制定合适的AlZnMg合金固溶工艺就显得尤为重要。

本文研究的AlZnMg合金為铸锭经过均匀化处理后再经420℃热挤压的样品，因为在热挤压淬火和日常存放过程中存在一定的析出，为了保证时效强化的效果，需要再进行一道固溶处理。本文采用的AlZnMg合金的成分为Al-8.31Zn-2.46Cu-2.07 Mg-0.12Zr，属于超高合金化铝合金，溶质原子的占比已经超过12%，因此，为了保证时效强化的效果，必须保证固溶的效果。图1为该AlZnMg合金铸锭的DSC曲线。

从图1可以看到该AlZnMg合金铸锭在474.5℃、491.4℃和636.8℃有三个明显的吸热峰，474.5℃为MgZn2相熔化的吸热峰，491.4℃为Al2CuMg相熔化的吸热峰，636.8℃为该铝合金熔化的吸热峰。因此，为了防止该AlZnMg合金过烧，固溶温度温度应该不能超过474.5℃。结合现实操作中的温度波动，保证合金不会发生过烧，温度控制在465℃较为合适。固溶时间为1h。[4，5]

2 AlZnMg合金单级时效工艺

图2为AlZnMg合金在不同时效温度下，时效时间和硬度的关系曲线。时效温度为100℃时，合金在时效初期，硬度从90HV迅速升高，约时效10h后达到峰值，约175HV，随后进入平台区，时效至80h时约175HV。

时效温度为120℃时，合金在时效初期，硬度从90HV迅速升高，约时效18h后达到峰值，约192HV，随后进入平台区，时效至80h时约188HV。

时效温度为140℃时，合金在时效初期，硬度从90HV迅速升高，约时效10h后达到峰值，约193HV，时效至30h后，硬度开始逐步下降，时效至80h时约182HV。

时效温度为160℃时，合金在时效初期，硬度从90HV迅速升高，约时效8h后达到峰值，约195HV，随后硬度快速下降，时效至20h时约175HV，时效至80h时，硬度仅仅只有165HV。

通过图2可以看到，不同的时效温度对合金的时效效果不同，低温100℃时效时合金时效强化效率较慢，最高硬度不高，但是抗过时效能力较强，长时间时效，硬度基本没有下降。120℃时效时，合金强化速度提高，最高硬度达到了192HV，抗过时效能力也较强。高温140℃时效时，初期硬化速度较快，峰值可以达到193HV，过时效后，硬度有所下降，80h下降至182HV。超高温160℃时效时初期硬化速率超快，时效8h即可达到峰值195HV，但抗过时效能力较弱，时效至10h后硬度就开始下降，时效80h时硬度仅仅只有165HV。结合各个温度的硬化速率，峰值硬度，还有抗过时效能力，120℃为合适的时效温度，峰值硬度为192HV。最佳单级时效峰时效工艺为120℃时效18h。

3 结论

（1）该AlZnMg合金固溶温度温度不能超过474.5℃。结合现实操作中的温度波动，保证合金不会发生过烧，温度控制在465℃较为合适。

（2）该AlZnMg合金合适的时效温度为120℃，峰值硬度为192HV。最佳单级时效峰时效工艺为120℃时效18h。

参考文献：

[1]吴一雷，李永伟.高强高韧度铝合金的发展和应用[J].航空材料学报，1994，2（1）：49-55.

[2]马鸣图，游江海，路洪洲.汽车轻量化以及铝合金汽车板的应用[J].新材料产业，2009（9）：34-37.

[3]陈昌麟.超高强铝合金的发展[J].中国有色金属学报，2002（12）：22-27.

[4]张勤，崔建忠.CREM7075铝合金的微观组织和性能[J].材料导报，2002，3（1）：61-65.

[5]邓至谦，周善初.金属材料及热处理[M].长沙：中南工业大学出版社，1988.