优化热处理工艺及微合金成分提高Al-Zn-Mg-Cu合金板材强韧性（冶金）
张 涛1,2，房洪杰1,2，孙 杰1，史春丽2
（1．烟台南山学院，山东龙口265713；2.山东南山铝业股份有限公司，山东龙口265713）
摘要：根据企业对某铝合金板材综合性能的要求，在试验室完成了试制研究。在原A1．Zn-Mg-Cu合金成分基础上，添加微量过渡族元素，优化热处理工艺，制备的铝合金板材的性能满足了用户的使用要求，为该类铝合金板材生产过程中的合金成分设计及热处理工艺制定提供借鉴和参考。
关键词：固溶处理；铝合金板材；熔铸；时效处理
中图分类号：TC146. 21 文章编号：1007 -7235（2016）06 - 0031 - 03
企业要生产一种Al-Zn-Mg-Cu合金板材，其主要化学成分如表1所示，要求板材厚度为2 mm，其强度不低于600 N／mm2而伸长率要求大于12%。
1 试制
在试验室中进行试制并检测。经过熔铸成扁锭，经均匀化退火处理，在@250mm×350mm实验热轧机上轧制成4 mm的板材，再在0175mm×300mm试验冷轧机上轧制成2mm的板材，经固溶和人工时效处理后，对板材力学性能进行检测，抗拉强度为583 N/mm2，不符合用户用对强度指标的要求，伸长率为11.41%，也未达标。
2 性能不达标的原因分析
AI-Zn-Mg-Cu合金是一种时效强化合金，进行固溶处理时需要合金成分最大限度溶解到基体中，便于后续时效处理时能够析出足够多的强化相，提高铝合金的强度。针对制得的板材强度和塑性不符合用户要求的情况，进行了原因分析。
2.1对拉伸试样断口扫描分析
对电子万能试验机拉断的试样通过扫描电镜进行扫描，如图1所示。从图1可以看出，断口出现如下特征：第一，晶界裂纹较多，属于典型的沿晶断裂，影响强度和塑性；第二，晶粒较为粗大，影响了综合性能；第三，整个断面几乎没有韧窝，韧性较差，综合性能不佳；第四，在放大800倍的情况下观察到了明显的弥散析出相（图1中的亮点部分），分布较为集中，颗粒粗大。
2.2对合金的铸态组织进行分析
针对板材晶粒粗大现象，对制取板材的铸锭组织进行分析，为保证分析清晰，采用德国蔡司显微镜进行观察。从图2中，可见铸锭组织晶粒较为粗大，还存在成分分布不均匀现象。一般地说，材料的晶粒越细小，合金成分分布就越均匀，材料的强度和韧性会越高。为了提高该铝合金板材的强韧性，需要从铸态组织开始进一步细化晶粒，优化合金成分，使其成分分布均匀。
2.3对制备的板材热处理制度分析
1)固溶处理
所加工的铝合金板材的固溶处理温度为470℃，保温时间为1h，在盐浴炉中加热、保温，温度控制仪表准确，还通过了温控仪进行精确调控，考虑到板材厚度较薄，保温时间能够符合工艺要求。因为Al-Zn-Mg-Cu铝合金容易生成Al Zn Mg Cu相，该相的熔点较低，一般为474℃，所以470C固溶保温温度是最佳温度。
2)时效处理
时效处理主要是过饱和固溶体析出弥散强化相，提高铝合金强度，析出的弥散强化相越多，晶粒越细小，分布越均匀，铝合金强度就越高，塑性和韧性就越好。
随着时效处理保温时间延长，析出弥散相越多，铝合金强度提高，但是并不是时间越长越好，因为保温时间过长，会引起过时效，使硬度和强度降低。
所测试的铝合金板材时效处理温度为120℃，保温时间为14h。该铝合金板材合金元素含量高，合计高达13.4%，保温时间14h有些短。人工时效处理时间最好是选择为24h。
综上所述，需要对该铝合金板材优化其合金成分，细化晶粒；优化其热处理制度，提高析出相的数量。
3 解决方案
3.1 添加微量过渡族元素Cr
其主要目的是让Cr元素在铝中形成的中间化合物( Cr Fe) Al17和(Cr M n) Al12等，它们可以抑制再结晶的形核和长大过程，使铝合金的强度和韧性有所提高，故添加质量分数为0.1%的Cr。对添加Cr后的铝合金铸态组织观察，如图3所示，它与原来的铸态组织（图2）相比其晶粒明显细小一些，其尺寸不到原来的1/2。有利于材料强韧性的提高。
3.2调整时效处理制度
时效制度的加热温度仍为120℃，保温时间由原来的14 h调整为24 h。
采用上述两项措施后，该铝合金板材抗拉强度达到605 N/mm2，屈服强度达到569 N/mm2，伸长率达到13. 02%。强韧性提高了，完全达到用户对该铝合金板材所要求的性能指标。其断口扫描组织如图4所示。改进方案后制取的铝合金板材断口形貌（图4）与未改进之前断口形貌相比（图1），析出的弥散相细小、量多，韧窝增多，韧窝较深，韧性得到明显改善。
4 结束语
通过调整时效处理保温时间，延长为24 h，合金成分中添加质量分数为0.1%的过渡族元素Cr，提高了该Al-Zn-Mg-Cu合金板材的抗拉强度和伸长率，使该铝合金板材强韧性提高，能够满足用户的使用要求。
