脉冲磁场对7A04铝合金固溶工艺显微组织和力学性能的影响

程 桥， 王 军， 徐 良， 田建明， 陈重毅， 麻永林

(1. 内蒙古科技大学 材料与冶金工程学院(稀土学院)， 内蒙古 包头 014000；2. 包头铝业有限公司， 内蒙古 包头 014000)

7×××系铝合金因其具有良好的强度、断裂韧性[1]、易回收等优点，被广泛应用在汽车行业、航空航天等领域[2-3]。随着汽车轻量化趋势以及节能环保的呼声越来越高，7×××系铝合金的性能也需要进一步提升[4]。对铝合金材料而言，其强度、硬度等力学性能决定了铝合金在实际生产中的最终应用[5]。对于可热处理强化的7×××系铝合金而言，固溶处理是铝合金热处理工艺过程重要的一环，其不仅要求将凝固过程中的可溶强化相尽可能回溶到Al基体中，同时要尽可能的溶解难溶第二相(S相、T相、含Fe相等)，为后续时效形成的沉淀强化提供条件[6-9]。这就要求7××× 系铝合金在不过烧的前提下尽可能的提高固溶温度[10]，这对于固溶温度的制定无疑是一种困难，过长的固溶时间也降低了固溶处理的效率。

电磁场热处理是近年来兴起的一种新型热处理方式，其是在合金进行热处理时施加不同类型的磁场，从而加速热处理进程，提高热处理效果。冯亮亮[11]发现强磁场对于7B04铝合金固溶、均匀化、时效等热处理工艺均产生一定的影响，均匀化处理时施加强磁场，T相会转化为S相，部分S相回溶到基体中，其原因在于强磁场加速了Zn原子和Cu原子的扩散，并且交流电所产生的强磁场对于7A04铝合金性能提升更好。洪天然等[12]发现在Al-Li合金时效处理过程中施加强磁场，铝合金的屈服强度会随着磁场强度的增加而不断增加。由此可见，不同类型的磁场对于铝合金的热处理工艺具有一定的影响，为铝合金热处理工艺提供了一种新型的研究思路。

图1 不同温度固溶60 min后7A04铝合金的显微组织Fig.1 Microstructure of the 7A04 aluminum alloy solution treated at different temperatures for 60 min(a) 420 ℃； (b) 440 ℃； (c) 470 ℃； (d) 480 ℃； (e) 490 ℃

目前许多学者对铝合金强磁场的热处理进行了很多研究，然而对于铝合金热处理时施加弱脉冲磁场所产生的影响却鲜有报道。于文霞等[13]发现，约20 mT的脉冲磁场对7A04铝合金进行时效热处理时，时效所需要的时间缩短，材料的抗拉强度会有所降低，但材料的塑性会提高。为研究弱脉冲磁场参数对7A04铝合金固溶处理下显微组织及性能的影响，设定不同固溶处理条件下的脉冲时间参数，并采用Axio-Imager蔡司光学显微镜以及钨灯丝扫描电镜对显微组织进行观察，利用维氏硬度计及万能试验机对固溶工艺下的力学性能进行测定。试验结果可为优化高强铝合金固溶处理提供一种高效、节能的工艺，并提供试验数据。

1 试验材料及方法

试验材料为7A04铝合金挤压棒材，材料具体化学成分如表1所示，试样尺寸为6 mm×8 mm×10 mm。固溶温度分别选取410、420、430、440、450、460、470、480、490和500 ℃，固溶时间选取60 min。脉冲磁场固溶处理时间选取为30、45和60 min。脉冲磁场参数如下：电流18 A，频率20 Hz，占空比20%，磁感应强度30 mT。采用Keller溶液对固溶后的试样进行腐蚀15～20 s。通过Zeiss光学显微镜观察其显微组织，采用维氏硬度计对其进行硬度测试，载荷为50 N，加载时间为30 s。WDW3200微控电子万能试验机测量抗拉强度与伸长率。采用钨灯丝扫描电镜观察粗大第二相溶解情况。

表1 7A04铝合金的化学成分(质量分数，%)

2 试验结果及讨论

2.1 固溶温度的选择

不同温度固溶60 min后试验合金的显微组织如图1所示，固溶温度为420 ℃时，挤压组织未发生固溶及再结晶，存在因挤压而破碎的难溶物。固溶温度在440～480 ℃时，组织中浅白色区域增多，固溶效果增加，但组织仍为挤压态的纤维状组织，再结晶现象不明显。同时晶粒尺寸并没有因固溶温度的升高而增大，这说明此固溶温度区间对晶粒的尺寸影响不大。当固溶高于490 ℃时，显微组织较之前固溶温度下的组织发生了明显变化，纤维状的特征逐渐消失，并向椭圆状组织演变。

不同温度固溶下7A04铝合金硬度变化如图2所示。固溶温度从410 ℃升高到480 ℃时，显微硬度呈上升趋势，固溶温度为410 ℃时的显微硬度值为139.54 HV5，480 ℃ 时的显微硬度值达到最大，为167.32 HV5。固溶温度高于480 ℃，显微硬度迅速降低。通过观察显微组织和硬度变化曲线，选取最佳固溶温度为470 ℃。

图3 7A04铝合金在不同固溶工艺下的SEM图(a)挤压原样;(b)加磁30 min;(c)加磁45 min;(d)加磁60 min;(e)470 ℃常规60 min Fig.3 SEM images of the 7A04 aluminum alloy under different solution treatment processes(a) extruded specimen； (b) with magnetic 30 min； (c) with magnetic 45 min； (d) with magnetic 60 min； (e) without magnetic 60 min at 470 ℃

图2 不同固溶温度下7A04铝合金的硬度曲线Fig.2 Hardness curves of the 7A04 aluminum alloy at different solution treatment temperatures

2.2 脉冲磁场对难溶第二相的影响

在固溶温度确定为470 ℃的基础上施加脉冲磁场，磁场处理时间分别为30、45和60 min。其扫描电镜图像如图3所示，各点能谱分析如表2所示。

通过观察图3(a)可以看出，未固溶处理的挤压态原样中含有较大的圆形S相(A处)和不规则形状的含Fe相(B处)。加磁固溶处理30 min后存在大量白色S相，加磁处理45 min后S相(C处)分布数量减少，从形貌上看，与常规固溶处理60 min时(E处)分解情况相似，从EDS能谱分析可知，Cu的含量也近似相同。加磁处理60 min后，含Fe相已完全分解，粗大的圆形S相已经分解成为图3(d)处的圆形区域中的小白点(D处)。图3(e)中E处是470 ℃常规固溶60 min后S相的分解情况。从形状大小上看，常规固溶处理60 min后S相分解程度远不如脉冲磁场固溶处理60 min，含Fe相也已分解。由于Cu原子的扩散激活能均比Mg原子和Zn原子的扩散激活能要大，因此对于S相最后分解的才是Cu原子。综合图3可以看出，固溶处理时施加脉冲磁场可促使难溶S相的分解，并减少固溶时间。

2.3 脉冲磁场对7A04铝合金力学性能的影响

不同脉冲磁场处理时间硬度变化曲线如图4所

表2 图3中各点的EDS能谱分析(原子分数，%)

示，7A04铝合金在固溶处理中加入脉冲磁场后，随着磁场处理时间的延长，硬度值不断增大。脉冲磁场固溶处理45 min时的硬度为152.8 HV5，与普通常规固溶处理60 min的硬度值较为接近。同时结合图3(c～e)可以得出，脉冲磁场可减少固溶时间，经过脉冲磁场固溶处理60 min后，7A04铝合金硬度达到了179.4 HV5，与常规固溶处理相比较，硬度值增加了20 HV5，增加幅度达10%。结果表明，施加脉冲磁场不仅可以加速第二相的分解，还可提高合金固溶度。

图4 470 ℃脉冲磁场固溶不同时间后7A04铝合金的硬度Fig.4 Hardness of the 7A04 aluminum alloy after solution treatment in pulsed magnetic field at 470 ℃ for different time

常规固溶处理与脉冲磁场固溶处理拉伸性能如图5所示，经过脉冲磁场处理的7A04铝合金固溶后的抗拉强度达到了582 MPa，伸长率为7.3%。经常规固溶处理所达到的抗拉强度为486 MPa，伸长率为8.2%。这是因为7A04铝合金在固溶时经过脉冲磁场处理后，S相溶解程度要大于常规的固溶处理，更多的Mg、Zn、Cu等原子充分的溶解到了Al基体中，所达到的固溶强化效果更好，从而强度更高。固溶强度提高的同时塑性通常会有所下降，因此施加脉冲磁场处理后的试样的伸长率会有所下降。

图5 470 ℃常规和脉冲磁场固溶60 min后 7A04铝合金的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of the 7A04 aluminum alloy after conventional solution and pulsed magnetic field solution at 470 ℃ for 60 min

3 理论分析

金属固溶处理过程中形成的过饱和固溶体主要是靠扩散的影响，7×××系铝合金固溶扩散机制为交换机制。发生扩散时原子需要克服迁移能和空位形成能[14]。

原子的扩散系数可由式(1)求得：

Ds=D0exp(-Qs/RT)

(1)

式中：Qs为每摩尔原子的扩散激活能，R为气体常数，T为热力学温度，D0为扩散常数，与原子的跳跃条件分数，原子的振动频率，间隙配位数等有关。

假设相同原子之间的距离为2λ，那么原子发生扩散时距离满足式(2)[15]：

(2)

式中：t为扩散时间。

通过观察脉冲磁场固溶处理与常规固溶处理图片可以得出结论，脉冲磁场固溶处理可以有效地缩短扩散时间。在扩散距离为λ的情况下，扩散时间缩短，原子的扩散系数将会增大。

根据Helmholtz公式：

ΔA=ΔU-TΔS

(3)

式中：ΔA为系统稳定状态时的自由能，ΔU由热交换Q和环境的功W交换两部分组成。在7A04铝合金固溶处理中，ΔU由空位形成能u和空位数量n决定[16]，即

ΔU=Q+W=nu

(4)

与常规固溶相比，脉冲磁场以磁能[16]形式对系统做功，W取负值，故内能增量ΔU减小和nu乘积减小，即扩散激活能降低。

将式(1)两边取对数得：

(5)

图6为lnDs与1/T关系图，经过脉冲磁场处理后，降低了强化相原子的扩散激活能，即在相同的固溶温度下，施加脉冲磁场后扩散系数将会增大，在相同的扩散条件下，施加脉冲磁场可以降低固溶温度。这就意味着在相同的固溶温度下，经过脉冲磁场处理后，可以得到较高固溶温度下原子的扩散系数，可以加速难溶相的回溶以及强化相原子的扩散速度。

图6 lnDs与1/T关系图Fig.6 Relationship between lnDs and 1/T

4 结论

1) 7A04铝合金固溶处理过程中施加磁感应强度为30 mT的脉冲磁场时，可加速S相的分解，从而降低固溶时间。

2) 经脉冲磁场+固溶处理后7A04铝合金固溶组织的抗拉强度可显著提升，由常规固溶工艺下的486 MPa提高到582 MPa，伸长率由8.2%降低为7.3%。

3) 7A04铝合金脉冲磁场+固溶处理工艺中，脉冲磁场的施加影响了强化相原子的扩散系数和扩散激活能，从而缩短固溶时间。该工艺为优化高强铝合金固溶处理提供了一个高效、节能的处理方案。