对轧制协同热处理对7055铝合金性能的影响探讨.pdf

世界有色金属2023年8月上10冶金冶炼Metallurgical smelting对轧制协同热处理对7055铝合金性能的影响探讨陈纪强，冯伟骏，赵明伟（宝武铝业科技有限公司，河南 三门峡 4 7 2 0 0 0）摘 要：本文主要讨论了运用轧制协同热处理技术加工7 0 5 5 铝合金时对其性能的影响规律。介绍了轧制工艺和热处理，并通过实验分析，探究了温轧、时效作业和固溶处理对铝合金性能的实际影响。实验结果表明，多级固溶处理对7 0 5 5 铝合金轧板的力学性能优化具有较大贡献。此外，在常规固溶处理的基础上，采用温轧作业配合人工时效的方式，可以进一步优化材料整体的力学性能。关键词：7 0 5 5 铝合金；轧制工艺；热处理；固溶中图分类号：T G 1 4 6.2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 5-0 0 1 0-3Discussion on the Effect of Rolling Collaborative Heat Treatment on the Properties of 7055 Aluminum AlloyCHENJi-qiang,FENGWei-jun,ZHAOMing-wei(B a o w u A l u mi n u m I n d u s t r y T e c h n o l o g y C o.,L t d,S a n me n x i a 4 7 2 0 0 0,C h i n a)Abstract:T h e a r t i c l e ma i n l y d i s c u s s e s t h e i n f l u e n c e o f r o l l i n g c o l l a b o r a t i v e h e a t t r e a t me n t t e c h n o l o g y o n t h e p r o p e r t i e s o f 7 0 5 5 a l u mi n u m a l l o y w h e n p r o c e s s e d.B r i e f l y e x p l a i n t h e r o l l i n g p r o c e s s a n d h e a t t r e a t me n t,a n d u s e e x p e r i me n t a l a n a l y s i s me t h o d s t o e x p l o r e t h e a c t u a l e f f e c t s o f w a r m r o l l i n g,a g i n g o p e r a t i o n,a n d s o l u t i o n t r e a t me n t o n t h e p r o p e r t i e s o f a l u mi n u m a l l o y s.T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t f o r 7 0 5 5 a l u mi n u m a l l o y r o l l e d p l a t e s,mu l t i-s t a g e s o l i d s o l u t i o n t r e a t me n t h a s a s i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o n t o t h e o p t i mi z a t i o n o f t h e i r me c h a n i c a l p r o p e r t i e s.A t t h e s a me t i me,o n t h e b a s i s o f c o mp l e t i n g c o n v e n t i o n a l s o l i d s o l u t i o n t r e a t me n t,u s i n g w a r m r o l l i n g o p e r a t i o n c o mb i n e d w i t h a r t i f i c i a l a g i n g i s mo r e c o n d u c i v e t o o p t i mi z i n g t h e o v e r a l l me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e ma t e r i a l.Keywords:7 0 5 5 a l u mi n u m a l l o y;Ro l l i n g p r o c e s s;He a t t r e a t me n t;S o l i d s o l u t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：陈纪强，男，生于1 9 8 8 年，汉族，河南信阳人，本科，工程师，研究方向：铝合金压延及热处理。7XXX系列的铝合金材料在强度与刚度、密度等方面都有良好的性能表现，而且其加工性突出，如今在诸多工业领域中都实现了大量运用。7055铝合金属于目前强度较大的一种商用材料，通过探讨对其力学性能的影响，对扩展该类高性能材料的实践适用范围具有一定的促进作用。1 轧制工艺与热处理1.1 轧制工艺目前存在两种主要的轧制工艺，即对称轧制和非对称轧制。对称轧制是最基本的形式，因为在加工过程中，轧板整体受力均匀，不容易产生弯曲。然而，当轧板自身较厚时，由于摩擦力的影响，会出现表层和附加区域的剪切变形，而中心区域则主要受到平面压缩应变的影响，轧板变形分布保持对称状态1。此外，对于较薄的轧板，剪切变形可以延伸至中心区域，从而解决某些铸造缺陷并保持组织结构的均匀性。非对称轧制引入了一些不对称因素，实际操作方式可分为两类：一是通过改装轧机，调整轧辊尺寸、水平位置和转速等；二是利用改装轧辊，调节其粗糙度和热扩散系数等。对称轧制期间产生的变形区域在非对称轧制中被称为“搓轧区”。然而，在非对称轧制中，由于很难精确控制板形，弯曲的可能性增加，因此尚未广泛应用。目前比较典型的非对称轧制方法包括异步轧制和龙型轧制，其中异步轧制的明显特点是轧辊线速度不一致，龙型轧制则是在异步轧制的基础上，将慢辊适度偏移至出料侧，以减小轧制过程中的弯曲程度。1.2 热处理热处理技术将合金加热至固液相溶度线以上的温度，保持一定时间，使第二相有效溶解，获得单相固溶体。经过冷却处理，如果冷却速度足够快，单相固溶体能稳定在室温状态下，形成过饱和固溶体。这个过程称为固溶处理或淬火。对于可进行热处理的7055铝合金而言，固溶处理是非常重要的步骤。由于该合金内含有较多的合金元素，固溶处理可以将这些元素溶解到铝的基体中，通过淬火处理，使固溶体处于过饱和状态。然而，由于固溶温度较高，处理过程中通常会发生再结晶，因此固溶温度和时间是关键的控制条件2。2 7055铝合金轧制协同热处理实验分析2.1 实验材料此次实验选用的原料是7055铝合金，其厚度是27mm。通过对其内部化学成分进行分析，主要有10种，分别是：Zn为8.34%；Mg为1.81%；Cu为2.06%；Mn为0.02%；Zr 为 0.15%；Fe 为 0.09%；Ti 为 0.03%；Si 为 0.03%；Ni为0.15%；其余都是Al。2.2 实验方法实验人员采用多道次热轧变形处理铝合金，设定温度条件是450，原料厚度从27mm处理到4.5mm为止，整体下压量达到93%。在此基础上，完成后续加工处理，相应加2023年8月上 世界有色金属11冶金冶炼Metallurgical smelting工流程为：经过固溶处理后，通过水冷作业，自然时效为两个小时；加工步骤与上一个相同，自然时效调整成10日；在固溶处理后，实施水冷作业，人工时效是轧板硬度达到峰值为止；通过固溶处理与水冷环节后，进行温轧作业，自然时效为10日；是先进行固溶处理，而后经过水冷、温轧，人工时效是直到板材硬度处于峰值状态。在该过程中的固溶处理环节，温度控制在470，时间统一为一个小时，完成固溶处理后的板材要迅速进行水冷，使其下降到室温状态。在人工时效内，温度保持在120。实验人员借助半自动的显微硬度仪，确认样品当前硬度情况，其中测试载荷参数设置成300g，保压时长为13s，所有样品均需要经过20次的硬度检测，最后根据测出的结果，计算出硬度均值。通过整体对比观察发现，全部样品硬度峰值的时效都是16个小时。在温轧环节中，温度保持在120，各道温轧处理之间的保温时间是5分钟，整体下压量达到30%。在铝合金样品的分析中，此次实验主要用到光学显微镜、扫描电镜、透射电镜以及局部能谱仪，其中前三个仪器用来观测处于不同状态的样品实际微观组织表现，最后一个仪器主要是进行简单的定性分析。样品观察面选择与轧制方向相垂直的表面，其中运用光学显微镜观测的样品，选择阳极覆膜腐蚀处理，把经过机械抛光处理的样品直接放到制膜液内实施阳极腐蚀，此处用到的制膜液是由氢氟酸、硼酸和水混合制成，三者添加比例为3mL 1.1g：100mL。待腐蚀反应完成后，实验人员将光学显微镜调整到偏光模式对样品进行观察。对于样品的力学性能测试分析，通过万能力学实验机直接拉伸样品。2.3 实验结果第一，借助光学显微镜对样品加以观测，发现全部样品晶粒拉长方向与轧制处理方向一致，最终形成细长条纤维状。实验样品中，和晶粒宽度集中于2m10m范围内；样品与的显微组织表现中，由温轧变形导致很多晶粒破碎，尺寸变小。经过人工时效以及自然时效环节的样品，实际晶粒大小都未出现明显的不同。第二，样品、与利用扫描电镜观察，从全部样品中均能发现微米级别大小的片状相以及针状相，联系局部能谱仪的分析，以上相都属于含铁相，而该类相在铝合金材料中属于难溶相，即便经过固溶处理，也很难充分回溶，所以只能存在于合金组织中，颗粒也比较粗大3。板材样品进行轧制处理期间，上述提到的微米级含铁相会直接破碎，其主要是顺着板材变形方向分布的。而在样品中，在该类含铁相周围分布着许多微小球形颗粒，通过对其进行局部能谱仪分析发现，这些属于MgZn2相。第三，与通过透射电镜的分析发现，样品位错密度非常小，要借助高倍照片才能确认析出相。同时运用局部能谱仪，确认样品组织内粗大相属于前文提到的含铁相，同时还带有部分Al3Zr相，大小约是80nm。根据SAED（电子衍射）能了解到Al3Zr相和基体共格对应面心立方结构。另外，与都有晶界析出相，通过进一步确认，该类相属于MgZn2。样品内的此类析出相大小在10nm20nm之间，和样品相较，样品此类析出相分布比较连续，尺寸基本上都超过30nm。同时两种样品都存在晶内纳米析出相，而且所选铝合金材料的时效温度处于120的情况下，析出强化相似MgZn2为主，样品与内晶界周围有无沉淀析出带，其中样品的无沉淀析出带宽度在35nm左右，样品则在20nm左右。第四，样品与经过透射电镜观测发现，样品位错密度远高于样品，同时在二者晶界区域都无法清楚观察到无沉淀析出带。但二者高密度的纳米析出相都能得到有效观察，和样品对比，样品中晶内析出相尺寸更大。根据高分辨率的照片图像显示，样品中晶内析出相属于MgZn2相，并且和铝合金的基体为半共格状态，但在样品中的MgZn2相则是不共格的情况，大小在15nm左右。第五，轧板拉伸性能。根据实验现象来看，样品的强度相对最弱，但其延展性在几组样品中表现最佳，测出的屈服强度与抗拉强度各自是286和468MPa，而伸长率达到19.5%。在固溶处理的前提下，采用人工时效与自然时效都能有效加强合金样品，同时伸长率会有所下降，各自降到10.8%以及18.6%。在温轧作业搭配自然时效、人工时效后，能够使铝合金得到明显强化。样品拥有相对最大的强度，并且屈服强度与抗拉强度高达659、723MPa，相应的伸长率低至8.9%。2.4 结果讨论经过固溶处理后，轧制板材中的可溶相被有效地溶入基体中，并使合金组织中的位错密度保持较低水平。在自然时效较短的情况下，析出程度有限，导致样品的强度偏低，但伸长率较高。在实验中观察到的所有样品，晶粒呈纤维状，宽度在2m至10m之间。样品4和样品5经过温轧处理后，内部晶粒尺寸都比较小。通过扫描电镜观察发现，所有样品中均存在难溶相，并且这些相与合金基体不共格，它们具有较高硬度和脆性，容易受到较小的拉应力影响而破碎甚至与基体分离形成孔洞，从而为裂纹扩展提供条件，使裂纹相互连通并大大降低铝合金的塑性，从而影响其性能。此外，铝合金中还存在着Al3Zr相，这种相可以钉扎晶界和位错，不利于位错滑移，从而提高合金的强度。通过常规热处理操作，样品3和样品4进行了实验。固溶体经过人工时效和自然时效后，整体强度显著提高。本文主要讨论的7055铝合金属于可热处理强化材料，其中纳米沉淀相在力学性能方面发挥着重要作用。与样品2相比，样品3的屈服强度和抗拉强度都有一定程度的提高，只有伸长率略有下降。在时效处理过程中，难溶相会逐渐在晶界内聚集，并慢慢演变成与基体不共格的状态。而位于晶界析出相中的这些含铁相较硬且脆，如果它们连续分布，会在提高材料强度和变形过程中导致晶界应力集中现象，从而导致样品过早断裂，影响材料的塑性。另外，样品2中无沉淀带的宽度为35nm，而样品3仅达到20nm。在无沉淀带强度小于基体材料的情况下，应力将直接释放在前者内，因此拥有更宽无沉淀带的样品对降低应力集中程度作出更大贡献，抑制裂纹形成和发展，有助于提高材料的塑性，因此样品2的伸长率较大4。世界有色金属2023年8月上12冶金冶炼Metallurgical smelting温轧和协同时效处理可以改善材料的性能，并优化其强度。与其他样品相比，样品4和样品2的屈服强度和抗拉强度都有提高；样品5的这两个强度参数也高于样品3。由于温轧处理后再进行时效处理，合金中仍存在较多的位错残留，因此发生了位错强化现象。而温轧可以有效细化晶粒，产生细晶强化效应，从而优化材料的强度。另外，由于样品4和样品5中存在明显的位错，所以在材料的拉伸变形中，位错不断移动并堆积在晶界区域，引起应力集中，有利于裂纹扩散，从而容易导致材料断裂。从另一个角度来看，温轧形成的细晶实际上对铝合金的伸长率有促进作用，但由于温轧引发了位错问题，导致材料的塑性降低，抵消了细晶的积极作用，从而导致整体伸长率下降。与其他试样相比，通过扫描电镜观察发现，样品5中存在许多尺寸在100nm至300nm之间的含铁相析出，并且通过透射电镜也可以发现一些亚稳态的含铁相的粗化和逐渐转变为与基体不共格的状态。这些表明温轧（120）引起的位错缺陷会减弱强化相析出所需的能量，并在后续的时效处理过程中推动沉淀相进一步演变。因此，样品5同时具有细晶、位错和析出三个方面的强化效果。总的来说，固溶体试样经过温轧处理并配合人工时效模式可以有效提高7055铝合金的力学性能。3 7055铝合金固溶处理环节实验讨论前文所述实验主要探究在固溶处理基础上，搭配温轧与时效作业对于铝合金轧板的性能影响，考虑到固溶环节在轧板热处理中的关键性，所以，下文仅以固溶处理为切入点，简单进行展开讨论5。3.1 分析方法此部分实验7055铝合金材料改用厚度为30mm的轧板，其化学成分相较于前者更加简单，其中：7.8%为Zn；2.02%为Mg；2.15%为Cu；0.16为Zr；其余是Al。为便于完成内部组织观察与力学性能判断的任务，把轧板平均分成6层，单层是5mm，由表层到中心层，再到另一端表层，从1至6逐个编号。为说明固溶处理对于材料性能的影响，选择两种处理方式，分别是：TSSS（双级固溶），条件是470/1h与480/1h；MSSS（多级固溶），在固溶处理环节的实验条件是300/4h、350/10h、450/1h与470/2h，随后实施时效处理，实验条件是105/24h、190/1h水淬、120/24h时效。3.2 性能分析就力学性能而言，可以从硬度、拉伸性能和断裂韧性三个方面来考察。首先是硬度，在实验分析结果中发现，经过热处理的轧板样品在厚度方向上，硬度分布不均匀。从表层到中心层，硬度逐渐增强，其中中心层的硬度超过表层约20HV。在双级固溶和多级固溶两种处理模式中，后者试样的各层硬度都高于前者。其次是拉伸性能。从表层到中心层，屈服强度和抗拉强度逐渐增加，前者比后者低约30MPa左右。此外，使用多级固溶工艺的样品，各层强度都超过双级固溶试样，其中表层差值约为15MPa，中心层差值可达到30MPa。然而，轧板样品的伸长率分布与硬度和强度不一致，表层的伸长率更大，而多级固溶试样的伸长率较低。造成上述强度差异的原因是再结晶水平的不同。双级固溶试样中未溶入的第二相的大小和密度均小于多级固溶样品，这表明固溶体处于过饱和状态，导致时效析出程度更高。双级固溶试样的强度远低于多级固溶样品，原因在于其再结晶水平较高，加速轧板软化程度，导致强度和硬度降低。当结晶软化程度超过时效析出水平后，双级固溶试样的强度和硬度将弱于多级固溶样品。总体而言，在这两种处理方式下，轧板试样的再结晶水平在表层至中心层逐渐降低，从而导致硬度和强度的增强。因此，有效掌握再结晶水平有利于优化铝合金轧板的强度和硬度。最后是断裂韧性。该参数可以反映材料自身抑制裂纹扩展的能力，可以通过撕裂强度和单位面积裂纹形核功来判断。而冲击韧性则可以反映裂纹形成和发展过程中消耗的能量，冲击韧度和冲击吸收功可以用来衡量材料的韧性。根据实验观察结果，裂纹形核功和冲击韧度的分布表现基本相同，从表层到中心层逐渐降低。而多级固溶试样的这两个参数均高于双级固溶样品，这意味着经过多级固溶处理后的试样具有更好的韧性。结合硬度和强度的分布表现，裂纹形核功和冲击韧度的差异也是由于再结晶水平的不同造成的。再结晶水平较低的试样通常以亚晶为主，颗粒尺寸相对较小，晶界面积较大，在裂纹扩展过程中需要消耗更多能量，因此具有更出色的韧性。另外，再结晶水平较高的试样在进行再结晶时会不断吞并附近的亚晶组织，实现自我提升，减小样品中的晶界总面积，这样材料的整体韧性就会在再结晶水平持续提升中减少。4 结语综上所述，无论是自然时效还是人工时效，都对铝合金轧板的析出效应起到促进作用。而温轧环节也有助于时效处理。此外，固溶操作是该加工过程中的关键步骤，相关人员应予以重视，并尽量采用多级固溶模式，最大限度地提升铝合金材料的综合性能。1杨磊.高强度高导电1060/6201铝合金板轧制形变热处理及组织性能研究D.太原理工大学,2021.2廖杨.高应变速率轧制及热处理工艺对7050铝合金组织及性能的影响D.湖南大学,2021.3刘桐源.热处理对轧制态7150铝合金的组织及腐蚀各向异性的影响D.沈阳工业大学,2020.4王洋.形变热处理对7075铝合金搅拌摩擦加工组织及性能影响的研究D.重庆大学,2020.5陈送义,陈康华,黄兰萍,等.低温轧制及时效热处理对Al-Zn-Mg铝合金显微组织与性能的影响J.粉末冶金材料科学与工程,2020,(01):16-26+34.