均勻化工藝對7005鋁合金組織的影響

7005鋁合金是中等強度的al-zn-mg合金。它具有廣闊的強度、良好的焊接性能和工藝性。它是航空航天推進器、地面車輛和設備的主要焊接結構材料。廣泛用于高速列車的制造。近幾十年來,開發高強高韌鋁合金新材料成為鋁合金發展的主要方向。由于7005合金中含有較高的Zn、Mg元素,鑄造鋁合金中容易生成非平衡結晶,并容易產生嚴重的枝晶偏析和區域偏析;并且基體中的主要元素處于過飽和狀態,在快速冷卻過程中,在鑄錠內部形成很強的內應力,這種枝晶網狀組織使得合金的壓力加工性能變差,制品的強韌性降低,并增加了各向異性和腐蝕敏感性。因此,在擠壓生產前要進行均勻化處理,以消除枝晶偏析,消除內應力,使非平衡產物溶解,脆性過剩相的總量減少,以及有骨絡狀分叉組織的平衡過剩相轉變為圓形球狀晶,從而提高材料的熱變形能力和冷變形能力。本文主要研究7005合金在不同均勻化處理制度下所得到的金相組織,通過對金相組織和斷口形貌的分析研究,確定合金的過燒溫度。研究結果對7005鋁合金的實際生產有重要意義。1試驗材料及方法試驗用7005鋁合金擠壓棒坯采用電爐熔煉和半連續鑄造方法生產,鑄造過程中采用泡沫陶瓷過濾,Al-Ti-B絲細化晶粒,鑄棒大小為ue788220mm×4000mm,其化學成分見表1。均勻化處理試樣尺寸為ue788220mm×220mm的棒料,采用電阻爐分別在470、480、500、530、545、550、560、580、600和610℃溫度下進行10h均勻化處理,鑄棒均勻化處理后空冷。本試驗采用SSX-550型掃描電鏡、AX10萬能研究級倒置式材料金相顯微鏡和ARLMA-283直讀光譜儀等設備對材料的顯微組織及化學成分進行分析。試驗中使用的RX4-60-8箱式電阻爐,升溫速率可以控制在5℃/min,保證材料均勻受熱。2試驗結果與分析2.1非平衡共晶體材料的組織采用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察7005合金的組織形貌,如圖1所示。由于合金中合金化元素含量較高,其鑄態組織存在嚴重的枝晶偏析,各晶界間分布著大量細小的第二相,各晶粒周圍包圍著大量的枝晶網,枝晶臂間存在著大量的結晶相。這種網狀的枝晶組織使材料的脆性增大、塑性降低,嚴重影響材料的使用性能。由圖1可知,組織中有深灰色塊狀的結晶相和淺灰色骨骼狀的共晶體。在晶界附近和枝晶間是主要合金元素富集區,存在嚴重的枝晶偏析。箭頭1、2所指深灰色塊狀的結晶相含有Al、Cu、Fe、Zn等元素,可能是Al7Cu2Fe相和ZnAl6相;箭頭3淺灰色骨骼狀的共晶體含有Al、Fe、Mn、Si等元素,可能是AlFeMnSi相。7005合金平衡冷卻凝固時,各種元素應溶入基體中,不應該出現共晶反應。這是由于在半連續鑄造冷卻過程中發生非平衡凝固,導致大量的合金元素聚集,形成大量的非平衡共晶體。所以此種合金在鑄造后必須進行均勻化處理使合金中的可溶性相溶入基體,最大地減少基體中殘留的結晶相,提高合金的塑性和抗疲勞斷裂性能,使合金元素溶解充分,提高合金的時效強化潛力。2.2均勻化過程及能譜分析圖2為7005合金鑄錠經過相同時間均勻化處理后的金相組織,與圖1鑄態組織相比可見,經過545℃×10h、550℃×10h、560℃×10h和580℃×10h均勻化處理后,非平衡共晶數量明顯減少,網狀結構基本不連續,合金中部分第二相溶入基體當中,合金中強化相分布較為均勻。在圖2(a)的組織中依然有部分枝晶結構,晶內還存在第二相,但第二相的體積明顯變小。在圖2(b)中,隨著均勻化溫度的提高,晶界細小光滑,枝晶結構基本消失,已溶入基體中,共晶組織已經開始熔化;此時在金相圖中有共晶復熔現象產生,在晶粒內部及部分晶界交匯處產生復熔球,確定在此溫度合金發生過燒。繼續提高均勻化溫度如圖2(c)、2(d)所示,發現組織中復熔球的數量增多和體積明顯變大,并且存在大量的復熔三角區,局部出現晶界加粗,說明此溫度下合金已經發生嚴重過燒。7005合金半連續鑄錠在550℃均勻化處理10h的金相組織及能譜分析結果如圖3所示。可見組織中殘留較多的未溶第二相,其成分與T(Al2Mg2Zn3)相極其相似,可以確認為Al2Mg2Zn3相;大塊相為S(CuMgAl2)相和AlFeMnSi;基體中析出的小條點狀相為MgZn2相。3共晶組織的擴散影響合金均勻化處理的主要因素有溫度、保溫時間、均勻化處理后冷卻速度,其中溫度的影響最大。在低溫處理時,合金元素擴散系數低,金屬間化合物融入基體的速度較慢。對于低熔點的共晶體來說,均勻化初期已有大量溶解到基體中,繼續增加保溫時間擴散效果很不明顯;而高溫共晶體沒有達到溶解溫度,擴散就更加難以進行,所以7005合金在545℃進行熱處理時依然有部分枝晶結構存在,沒有共晶組織發生溶化。隨著熱處理溫度升高到550℃時,枝晶結構基本消失溶入基體中,共晶組織已經開始熔化。當均勻化溫度達到560℃以上時,發現組織中復熔球的數量和體積明顯變大,并且存在大量的復熔三角區,局部出現晶界加粗,此時合金過燒現象已經很明顯。從圖1和圖3的分析結果可知,7005半連續鑄造合金鑄態組織中除了Al基體外,還存在大量的AlFeMnSi共晶體和一定量的Al7Cu2Fe相似相;而Al7Cu2Fe的含Fe相隨著溫度的升高沒有溶入基體中,一直處于晶界處。為保證半連續鑄錠的均勻化效果應該嚴格控制均勻化溫度。4半連續鑄造4005合金過燒及結晶相(1)半連續鑄造7005合金鑄態組織存在嚴重的枝晶偏析,各晶界間分布著大量細小的第二相,各晶粒周圍包圍著大量的枝晶網,枝晶臂間存在著大量的結晶相。(2)半連續鑄造7005合金過燒溫度為550℃,隨著均勻化處理溫度的提高,7005合金過燒程度不斷加重。當均勻化溫度達