7005铝合金过烧温度的研究

来源:辽宁忠旺集团有限公司作者:李延军

本文对半连续铸造7005铝合金进行不同温度的均匀化处理试验,发现7005合金的铸态组织存在严重的枝晶偏析,各晶粒周围包围着大量的枝晶网,枝晶臂间存在着大量的结晶相。通过扫描电镜、金相显微镜等分析确定7005合金过烧温度为550℃。继续升高均匀化处理温度到580℃时,发现组织中复熔球的数量增多和体积明显变大,此时合金发生严重过烧。

7005铝合金属于中高强Al-Zn-Mg合金,具有较高的强度、良好的焊接性能和工艺性能,是航空航天器以及地面车辆和装备的主要焊接结构材料,被广泛用于制造高速列车的车体。近几十年来,开发高强高韧铝合金新材料成为铝合金发展的主要方向。由于7005合金中含有较高的Zn、Mg元素,铸造铝合金中容易生成非平衡结晶,并容易产生严重的枝晶偏析和区域偏析;并且基体中的主要元素处于过饱和状态,在快速冷却过程中,在铸锭内部形成很强的内应力,这种枝晶网状组织使得合金的压力加工性能变差,制品的强韧性降低,并增加了各向异性和腐蚀敏感性。因此,在挤压生产前要进行均匀化处理,以消除枝晶偏析,消除内应力,使非平衡产物溶解,脆性过剩相的总量减少,以及有骨络状分叉组织的平衡过剩相转变为圆形球状晶,从而提高材料的热变形能力和冷变形能力。

本文主要研究7005合金在不同均匀化处理制度下所得到的金相组织,通过对金相组织和断口形貌的分析研究,确定合金的过烧温度。研究结果对7005铝合金的实际生产有重要意义。

1、试验准备

试验用7005铝合金挤压棒坯采用电炉熔炼和半连续铸造方法生产,铸造过程中采用泡沫陶瓷过滤,Al-Ti-B丝细化晶粒,铸棒大小为220mm×4000mm,其化学成分见表1。均匀化处理试样尺寸为220mm×220mm的棒料,采用电阻炉分别在470、480、500、530、545、550、560、580、600和610℃温度下进行10h均匀化处理,铸棒均匀化处理后空冷。

表1 7005合金化学成分(质量分数,%)

7005合金化学成分

本试验采用SSX-550型扫描电镜、AX10万能研究级倒置式材料金相显微镜和ARLMA-283直读光谱仪等设备对材料的显微组织及化学成分进行分析。试验中使用的RX4-60-8箱式电阻炉,升温速率可以控制在5℃/min,保证材料均匀受热。

2、试验结果与分析

2.1、铸态组织研究

采用光学显微镜和扫描电镜观察7005合金的组织形貌,如图1所示。由于合金中合金化元素含量较高,其铸态组织存在严重的枝晶偏析,各晶界间分布着大量细小的第二相,各晶粒周围包围着大量的枝晶网,枝晶臂间存在着大量的结晶相。这种网状的枝晶组织使材料的脆性增大、塑性降低,严重影响材料的使用性能。

7005合金铸态组织及能谱分析结果

图1 7005合金铸态组织及能谱分析结果

由图1可知,组织中有深灰色块状的结晶相和浅灰色骨骼状的共晶体。在晶界附近和枝晶间是主要合金元素富集区,存在严重的枝晶偏析。箭头1、2所指深灰色块状的结晶相含有Al、Cu、Fe、Zn等元素,可能是Al7Cu2Fe相和ZnAl6相;箭头3浅灰色骨骼状的共晶体含有Al、Fe、Mn、Si等元素,可能是AlFeMnSi相。7005合金平衡冷却凝固时,各种元素应溶入基体中,不应该出现共晶反应。这是由于在半连续铸造冷却过程中发生非平衡凝固,导致大量的合金元素聚集,形成大量的非平衡共晶体。所以此种合金在铸造后必须进行均匀化处理使合金中的可溶性相溶入基体,最大地减少基体中残留的结晶相,提高合金的塑性和抗疲劳断裂性能,使合金元素溶解充分,提高合金的时效强化潜力。

2.2、过烧温度确定

图2为7005合金铸锭经过相同时间均匀化处理后的金相组织,与图1铸态组织相比可见,经过545℃×10h、550℃×10h、560℃×10h和580℃×10h均匀化处理后,非平衡共晶数量明显减少,网状结构基本不连续,合金中部分第二相溶入基体当中,合金中强化相分布较为均匀。在图2(a)的组织中依然有部分枝晶结构,晶内还存在第二相,但第二相的体积明显变小。在图2(b)中,随着均匀化温度的提高,晶界细小光滑,枝晶结构基本消失,已溶入基体中,共晶组织已经开始熔化;此时在金相图中有共晶复熔现象产生,在晶粒内部及部分晶界交汇处产生复熔球,确定在此温度合金发生过烧。继续提高均匀化温度如图2(c)、2(d)所示,发现组织中复熔球的数量增多和体积明显变大,并且存在大量的复熔三角区,局部出现晶界加粗,说明此温度下合金已经发生严重过烧。

7005合金不同均匀化处理后的金相组织

图2 7005合金不同均匀化处理后的金相组织

7005合金半连续铸锭在550℃均匀化处理10h的金相组织及能谱分析结果如图3所示。可见组织中残留较多的未溶第二相,其成分与(Al2Mg2Zn3)相极其相似,可以确认为Al2Mg2Zn3相;大块相为S(CuMgAl2)相和AlFeMnSi;基体中析出的小条点状相为MgZn2相。

7005合金经550℃×10h均匀化处理后金相组织及能谱分析结果

图3 7005合金经550℃×10h均匀化处理后金相组织及能谱分析结果

3、过程分析

影响合金均匀化处理的主要因素有温度、保温时间、均匀化处理后冷却速度,其中温度的影响最大。在低温处理时,合金元素扩散系数低,金属间化合物融入基体的速度较慢。对于低熔点的共晶体来说,均匀化初期已有大量溶解到基体中,继续增加保温时间扩散效果很不明显;而高温共晶体没有达到溶解温度,扩散就更加难以进行,所以7005合金在545℃进行热处理时依然有部分枝晶结构存在,没有共晶组织发生溶化。随着热处理温度升高到550℃时,枝晶结构基本消失溶入基体中,共晶组织已经开始熔化。当均匀化温度达到560℃以上时,发现组织中复熔球的数量和体积明显变大,并且存在大量的复熔三角区,局部出现晶界加粗,此时合金过烧现象已经很明显。从图1和图3的分析结果可知,7005半连续铸造合金铸态组织中除了Al基体外,还存在大量的AlFeMnSi共晶体和一定量的Al7Cu2Fe相似相;而Al7Cu2Fe的含Fe相随着温度的升高没有溶入基体中,一直处于晶界处。为保证半连续铸锭的均匀化效果应该严格控制均匀化温度。

4、结论

(1)半连续铸造7005合金铸态组织存在严重的枝晶偏析,各晶界间分布着大量细小的第二相,各晶粒周围包围着大量的枝晶网,枝晶臂间存在着大量的结晶相。

(2)半连续铸造7005合金过烧温度为550℃,随着均匀化处理温度的提高,7005合金过烧程度不断加重。当均匀化温度达到580℃时,合金的过烧已经相当严重。7005合金在均匀化处理时温度要保持在545±3℃较为合适。

(3)7005合金在过烧后,合金中的共晶相(Al-FeMnSi)型结构呈现“复熔球”状。随着过烧温度的升高,合金的晶界明显加宽,晶界处有复熔三角区的产生。