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        脈沖磁場(chǎng)對(duì)7A04鋁合金固溶工藝顯微組織和力學(xué)性能的影響

        2022-10-21 08:57:58田建明陳重毅麻永林
        金屬熱處理 2022年9期
        關(guān)鍵詞:激活能熱處理磁場(chǎng)

        程 橋, 王 軍, 徐 良, 田建明, 陳重毅, 麻永林

        (1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金工程學(xué)院(稀土學(xué)院), 內(nèi)蒙古 包頭 014000;2. 包頭鋁業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014000)

        7×××系鋁合金因其具有良好的強(qiáng)度、斷裂韌性[1]、易回收等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[2-3]。隨著汽車輕量化趨勢(shì)以及節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高,7×××系鋁合金的性能也需要進(jìn)一步提升[4]。對(duì)鋁合金材料而言,其強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能決定了鋁合金在實(shí)際生產(chǎn)中的最終應(yīng)用[5]。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的7×××系鋁合金而言,固溶處理是鋁合金熱處理工藝過程重要的一環(huán),其不僅要求將凝固過程中的可溶強(qiáng)化相盡可能回溶到Al基體中,同時(shí)要盡可能的溶解難溶第二相(S相、T相、含F(xiàn)e相等),為后續(xù)時(shí)效形成的沉淀強(qiáng)化提供條件[6-9]。這就要求7××× 系鋁合金在不過燒的前提下盡可能的提高固溶溫度[10],這對(duì)于固溶溫度的制定無疑是一種困難,過長的固溶時(shí)間也降低了固溶處理的效率。

        電磁場(chǎng)熱處理是近年來興起的一種新型熱處理方式,其是在合金進(jìn)行熱處理時(shí)施加不同類型的磁場(chǎng),從而加速熱處理進(jìn)程,提高熱處理效果。馮亮亮[11]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)于7B04鋁合金固溶、均勻化、時(shí)效等熱處理工藝均產(chǎn)生一定的影響,均勻化處理時(shí)施加強(qiáng)磁場(chǎng),T相會(huì)轉(zhuǎn)化為S相,部分S相回溶到基體中,其原因在于強(qiáng)磁場(chǎng)加速了Zn原子和Cu原子的擴(kuò)散,并且交流電所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)于7A04鋁合金性能提升更好。洪天然等[12]發(fā)現(xiàn)在Al-Li合金時(shí)效處理過程中施加強(qiáng)磁場(chǎng),鋁合金的屈服強(qiáng)度會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而不斷增加。由此可見,不同類型的磁場(chǎng)對(duì)于鋁合金的熱處理工藝具有一定的影響,為鋁合金熱處理工藝提供了一種新型的研究思路。

        圖1 不同溫度固溶60 min后7A04鋁合金的顯微組織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 ℃

        目前許多學(xué)者對(duì)鋁合金強(qiáng)磁場(chǎng)的熱處理進(jìn)行了很多研究,然而對(duì)于鋁合金熱處理時(shí)施加弱脈沖磁場(chǎng)所產(chǎn)生的影響卻鮮有報(bào)道。于文霞等[13]發(fā)現(xiàn),約20 mT的脈沖磁場(chǎng)對(duì)7A04鋁合金進(jìn)行時(shí)效熱處理時(shí),時(shí)效所需要的時(shí)間縮短,材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)有所降低,但材料的塑性會(huì)提高。為研究弱脈沖磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)7A04鋁合金固溶處理下顯微組織及性能的影響,設(shè)定不同固溶處理?xiàng)l件下的脈沖時(shí)間參數(shù),并采用Axio-Imager蔡司光學(xué)顯微鏡以及鎢燈絲掃描電鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察,利用維氏硬度計(jì)及萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)固溶工藝下的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果可為優(yōu)化高強(qiáng)鋁合金固溶處理提供一種高效、節(jié)能的工藝,并提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        試驗(yàn)材料為7A04鋁合金擠壓棒材,材料具體化學(xué)成分如表1所示,試樣尺寸為6 mm×8 mm×10 mm。固溶溫度分別選取410、420、430、440、450、460、470、480、490和500 ℃,固溶時(shí)間選取60 min。脈沖磁場(chǎng)固溶處理時(shí)間選取為30、45和60 min。脈沖磁場(chǎng)參數(shù)如下:電流18 A,頻率20 Hz,占空比20%,磁感應(yīng)強(qiáng)度30 mT。采用Keller溶液對(duì)固溶后的試樣進(jìn)行腐蝕15~20 s。通過Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織,采用維氏硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試,載荷為50 N,加載時(shí)間為30 s。WDW3200微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗拉強(qiáng)度與伸長率。采用鎢燈絲掃描電鏡觀察粗大第二相溶解情況。

        表1 7A04鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

        2.1 固溶溫度的選擇

        不同溫度固溶60 min后試驗(yàn)合金的顯微組織如圖1所示,固溶溫度為420 ℃時(shí),擠壓組織未發(fā)生固溶及再結(jié)晶,存在因擠壓而破碎的難溶物。固溶溫度在440~480 ℃時(shí),組織中淺白色區(qū)域增多,固溶效果增加,但組織仍為擠壓態(tài)的纖維狀組織,再結(jié)晶現(xiàn)象不明顯。同時(shí)晶粒尺寸并沒有因固溶溫度的升高而增大,這說明此固溶溫度區(qū)間對(duì)晶粒的尺寸影響不大。當(dāng)固溶高于490 ℃時(shí),顯微組織較之前固溶溫度下的組織發(fā)生了明顯變化,纖維狀的特征逐漸消失,并向橢圓狀組織演變。

        不同溫度固溶下7A04鋁合金硬度變化如圖2所示。固溶溫度從410 ℃升高到480 ℃時(shí),顯微硬度呈上升趨勢(shì),固溶溫度為410 ℃時(shí)的顯微硬度值為139.54 HV5,480 ℃ 時(shí)的顯微硬度值達(dá)到最大,為167.32 HV5。固溶溫度高于480 ℃,顯微硬度迅速降低。通過觀察顯微組織和硬度變化曲線,選取最佳固溶溫度為470 ℃。

        圖3 7A04鋁合金在不同固溶工藝下的SEM圖(a)擠壓原樣;(b)加磁30 min;(c)加磁45 min;(d)加磁60 min;(e)470 ℃常規(guī)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 ℃

        圖2 不同固溶溫度下7A04鋁合金的硬度曲線Fig.2 Hardness curves of the 7A04 aluminum alloy at different solution treatment temperatures

        2.2 脈沖磁場(chǎng)對(duì)難溶第二相的影響

        在固溶溫度確定為470 ℃的基礎(chǔ)上施加脈沖磁場(chǎng),磁場(chǎng)處理時(shí)間分別為30、45和60 min。其掃描電鏡圖像如圖3所示,各點(diǎn)能譜分析如表2所示。

        通過觀察圖3(a)可以看出,未固溶處理的擠壓態(tài)原樣中含有較大的圓形S相(A處)和不規(guī)則形狀的含F(xiàn)e相(B處)。加磁固溶處理30 min后存在大量白色S相,加磁處理45 min后S相(C處)分布數(shù)量減少,從形貌上看,與常規(guī)固溶處理60 min時(shí)(E處)分解情況相似,從EDS能譜分析可知,Cu的含量也近似相同。加磁處理60 min后,含F(xiàn)e相已完全分解,粗大的圓形S相已經(jīng)分解成為圖3(d)處的圓形區(qū)域中的小白點(diǎn)(D處)。圖3(e)中E處是470 ℃常規(guī)固溶60 min后S相的分解情況。從形狀大小上看,常規(guī)固溶處理60 min后S相分解程度遠(yuǎn)不如脈沖磁場(chǎng)固溶處理60 min,含F(xiàn)e相也已分解。由于Cu原子的擴(kuò)散激活能均比Mg原子和Zn原子的擴(kuò)散激活能要大,因此對(duì)于S相最后分解的才是Cu原子。綜合圖3可以看出,固溶處理時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)可促使難溶S相的分解,并減少固溶時(shí)間。

        2.3 脈沖磁場(chǎng)對(duì)7A04鋁合金力學(xué)性能的影響

        不同脈沖磁場(chǎng)處理時(shí)間硬度變化曲線如圖4所

        表2 圖3中各點(diǎn)的EDS能譜分析(原子分?jǐn)?shù),%)

        示,7A04鋁合金在固溶處理中加入脈沖磁場(chǎng)后,隨著磁場(chǎng)處理時(shí)間的延長,硬度值不斷增大。脈沖磁場(chǎng)固溶處理45 min時(shí)的硬度為152.8 HV5,與普通常規(guī)固溶處理60 min的硬度值較為接近。同時(shí)結(jié)合圖3(c~e)可以得出,脈沖磁場(chǎng)可減少固溶時(shí)間,經(jīng)過脈沖磁場(chǎng)固溶處理60 min后,7A04鋁合金硬度達(dá)到了179.4 HV5,與常規(guī)固溶處理相比較,硬度值增加了20 HV5,增加幅度達(dá)10%。結(jié)果表明,施加脈沖磁場(chǎng)不僅可以加速第二相的分解,還可提高合金固溶度。

        圖4 470 ℃脈沖磁場(chǎng)固溶不同時(shí)間后7A04鋁合金的硬度Fig.4 Hardness of the 7A04 aluminum alloy after solution treatment in pulsed magnetic field at 470 ℃ for different time

        常規(guī)固溶處理與脈沖磁場(chǎng)固溶處理拉伸性能如圖5所示,經(jīng)過脈沖磁場(chǎng)處理的7A04鋁合金固溶后的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了582 MPa,伸長率為7.3%。經(jīng)常規(guī)固溶處理所達(dá)到的抗拉強(qiáng)度為486 MPa,伸長率為8.2%。這是因?yàn)?A04鋁合金在固溶時(shí)經(jīng)過脈沖磁場(chǎng)處理后,S相溶解程度要大于常規(guī)的固溶處理,更多的Mg、Zn、Cu等原子充分的溶解到了Al基體中,所達(dá)到的固溶強(qiáng)化效果更好,從而強(qiáng)度更高。固溶強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性通常會(huì)有所下降,因此施加脈沖磁場(chǎng)處理后的試樣的伸長率會(huì)有所下降。

        圖5 470 ℃常規(guī)和脈沖磁場(chǎng)固溶60 min后 7A04鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the 7A04 aluminum alloy after conventional solution and pulsed magnetic field solution at 470 ℃ for 60 min

        3 理論分析

        金屬固溶處理過程中形成的過飽和固溶體主要是靠擴(kuò)散的影響,7×××系鋁合金固溶擴(kuò)散機(jī)制為交換機(jī)制。發(fā)生擴(kuò)散時(shí)原子需要克服遷移能和空位形成能[14]。

        原子的擴(kuò)散系數(shù)可由式(1)求得:

        Ds=D0exp(-Qs/RT)

        (1)

        式中:Qs為每摩爾原子的擴(kuò)散激活能,R為氣體常數(shù),T為熱力學(xué)溫度,D0為擴(kuò)散常數(shù),與原子的跳躍條件分?jǐn)?shù),原子的振動(dòng)頻率,間隙配位數(shù)等有關(guān)。

        假設(shè)相同原子之間的距離為2λ,那么原子發(fā)生擴(kuò)散時(shí)距離滿足式(2)[15]:

        (2)

        式中:t為擴(kuò)散時(shí)間。

        通過觀察脈沖磁場(chǎng)固溶處理與常規(guī)固溶處理圖片可以得出結(jié)論,脈沖磁場(chǎng)固溶處理可以有效地縮短擴(kuò)散時(shí)間。在擴(kuò)散距離為λ的情況下,擴(kuò)散時(shí)間縮短,原子的擴(kuò)散系數(shù)將會(huì)增大。

        根據(jù)Helmholtz公式:

        ΔA=ΔU-TΔS

        (3)

        式中:ΔA為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的自由能,ΔU由熱交換Q和環(huán)境的功W交換兩部分組成。在7A04鋁合金固溶處理中,ΔU由空位形成能u和空位數(shù)量n決定[16],即

        ΔU=Q+W=nu

        (4)

        與常規(guī)固溶相比,脈沖磁場(chǎng)以磁能[16]形式對(duì)系統(tǒng)做功,W取負(fù)值,故內(nèi)能增量ΔU減小和nu乘積減小,即擴(kuò)散激活能降低。

        將式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得:

        (5)

        圖6為lnDs與1/T關(guān)系圖,經(jīng)過脈沖磁場(chǎng)處理后,降低了強(qiáng)化相原子的擴(kuò)散激活能,即在相同的固溶溫度下,施加脈沖磁場(chǎng)后擴(kuò)散系數(shù)將會(huì)增大,在相同的擴(kuò)散條件下,施加脈沖磁場(chǎng)可以降低固溶溫度。這就意味著在相同的固溶溫度下,經(jīng)過脈沖磁場(chǎng)處理后,可以得到較高固溶溫度下原子的擴(kuò)散系數(shù),可以加速難溶相的回溶以及強(qiáng)化相原子的擴(kuò)散速度。

        圖6 lnDs與1/T關(guān)系圖Fig.6 Relationship between lnDs and 1/T

        4 結(jié)論

        1) 7A04鋁合金固溶處理過程中施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為30 mT的脈沖磁場(chǎng)時(shí),可加速S相的分解,從而降低固溶時(shí)間。

        2) 經(jīng)脈沖磁場(chǎng)+固溶處理后7A04鋁合金固溶組織的抗拉強(qiáng)度可顯著提升,由常規(guī)固溶工藝下的486 MPa提高到582 MPa,伸長率由8.2%降低為7.3%。

        3) 7A04鋁合金脈沖磁場(chǎng)+固溶處理工藝中,脈沖磁場(chǎng)的施加影響了強(qiáng)化相原子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能,從而縮短固溶時(shí)間。該工藝為優(yōu)化高強(qiáng)鋁合金固溶處理提供了一個(gè)高效、節(jié)能的處理方案。

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