1 前言
7003在Al-Zn-Mg-（Cu）系中是屬于一種典型的中強(qiáng)、可焊合金, 該鋁合金有良好的塑性加工性能，人工時(shí)效后具有適中的強(qiáng)度，特別需指出的是，該鋁合金焊接性能優(yōu)良。因此,在車輛、建筑、橋梁、工兵裝備和大型壓力容器等方面都得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。2010年，我司接到新加坡某公司訂單，為斷面較復(fù)雜的空心鋁型材，客戶要求鋁合金狀態(tài)為7003-T6，性能要求如表1所示，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，該鋁型材只能采用在線淬火生產(chǎn)，為此，工藝部對(duì)合金熱處理工藝進(jìn)行了研究，并將研究成果用于實(shí)際，生產(chǎn)出了滿足客戶要求的產(chǎn)品。
表1 7003-T6性能要求
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|
抗拉強(qiáng)度/MPa |
屈服強(qiáng)度/MPa |
延伸率/% |
|
7003-T6 |
350 |
290 |
10 |
1.1 材料及試驗(yàn)方法
試驗(yàn)鋁合金為我司熔鑄車間提供，采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)Ф165mm直徑鑄錠，成分按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求如表2所示，擠壓在1650T臥式油壓擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓系數(shù)為20，固溶熱處理在SX2-8-10型馬弗爐內(nèi)進(jìn)行，樣品在DHG-9075A型鼓風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效，大生產(chǎn)樣品進(jìn)行在線風(fēng)淬及水霧淬火，并于14m長(zhǎng)時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效，力學(xué)性能在SANS CMT-5105電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。
表2 7003鋁合金成分范圍
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元素 |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Zn |
Ti |
Zr |
雜質(zhì)(總) |
bal. |
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成分 |
0.30 |
0.35 |
0.20 |
0.30 |
0.5-1.0 |
0.20 |
5.0-6.5 |
0.20 |
0.05-0.25 |
0.15 |
Al |
先將擠壓態(tài)樣品分別在440、450、460、470、480℃溫度下固溶0.5小時(shí)，水冷淬火，并進(jìn)行105℃/6h+165℃/8h雙極時(shí)效，考察固溶溫度對(duì)時(shí)效后合金性能的影響，為在線淬火出口溫度提供依據(jù)。第二步擠壓后進(jìn)行在線風(fēng)冷及水霧淬火，并對(duì)停放時(shí)間對(duì)性能影響進(jìn)行研究，同時(shí)優(yōu)化雙級(jí)時(shí)效工藝。
1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
1.2.1固溶淬火工藝優(yōu)化
7003鋁合金分別在440、450、460、470、480℃下固溶0.5小時(shí)，水冷淬火，并進(jìn)行105℃/6h+165℃/8h雙極時(shí)效，力學(xué)性能結(jié)果如表3所示：
表3 7003鋁合金在不同固溶條件下的性能
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度Mpa |
平均值 |
延伸率% |
平均值 |
屈服強(qiáng)度Mpa |
平均值 |
固溶工藝 |
|
1a |
400 |
397 |
11.5 |
11.7 |
353 |
349 |
440℃/0.5h |
|
1b |
395 |
12.0 |
344 |
||||
|
2a |
405 |
400 |
12.0 |
13.0 |
353 |
351 |
450℃/0.5h |
|
2b |
395 |
14.0 |
349 |
||||
|
3a |
395 |
393 |
11.5 |
12.3 |
354 |
350 |
460℃/0.5h |
|
3b |
390 |
13.0 |
346 |
||||
|
4a |
400 |
397 |
13.0 |
13.0 |
344 |
343 |
470℃/0.5h |
|
4b |
395 |
13.0 |
342 |
||||
|
5a |
400 |
397 |
12.0 |
12.7 |
353 |
342 |
480℃/0.5h |
|
5b |
395 |
13.5 |
332 |
從上表可以看出，在不同的固溶溫度下，7003鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度之間的偏差值均不超過(guò)10Mpa，延伸率也不超過(guò)1.5%，可以認(rèn)為7003鋁合金的固溶溫度范圍寬，在440-480℃溫度范圍內(nèi)，固溶溫度變化對(duì)力學(xué)性能的影響不大。
2 在線淬火工藝對(duì)鋁合金性能的影響
在擠壓生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在擠壓出口處分別對(duì)擠壓鋁型材進(jìn)行風(fēng)冷淬火和水冷淬火，并于120℃條件下時(shí)效24小時(shí)，性能對(duì)比如表4所示。
表4 不同淬火工藝對(duì)力學(xué)性能的影響
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度MPa |
斷后伸長(zhǎng)率% |
屈服強(qiáng)度MPa |
|
1 |
230 |
18 |
158 |
|
2 |
395 |
16 |
341 |
從表4可以看出，經(jīng)風(fēng)冷淬火后，性能與擠壓態(tài)基本相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明過(guò)飽和固溶體在型材溫度降低到室溫前基本分解完畢，經(jīng)水霧淬火后，鋁合金性能明顯提升，可滿足要求，是合適的生產(chǎn)工藝。
3 停放時(shí)間對(duì)合金性能影響
將生產(chǎn)出來(lái)的鋁型材停放0天、3天及15天后分別于120℃下時(shí)效24小時(shí)，性能對(duì)比如表所示。
表5 停放時(shí)間對(duì)7003鋁合金性能的影響
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度MPa |
斷后伸長(zhǎng)率% |
屈服強(qiáng)度MPa |
時(shí)效工藝 |
停放時(shí)間/天 |
|
1 |
395 |
18 |
333 |
120℃/24h |
0 |
|
2 |
397 |
16 |
342 |
120℃/24h |
3 |
|
3 |
407 |
15.5 |
353 |
120℃/24h |
15 |
從表可以看出，隨著停放時(shí)間的增加，合金強(qiáng)度略有提升，與0停放相比，停放15天后合金的抗拉強(qiáng)度提高12Mpa，屈服強(qiáng)度提高20Mpa，而延伸率仍然保持在15.5%的高水平。
4 雙級(jí)時(shí)效工藝研究
第一級(jí)時(shí)效探究
第二級(jí)時(shí)效制度保持165℃/8h不變，第一級(jí)分別采用95℃和105℃進(jìn)行時(shí)效，時(shí)間分別為4、6、8小時(shí)，結(jié)果如表6所示：
表6 第一級(jí)時(shí)效工藝對(duì)7003鋁合金性能影響
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度MPa |
斷后伸長(zhǎng)率% |
屈服強(qiáng)度MPa |
時(shí)效工藝 |
|
1a |
305 |
14.5 |
248 |
95℃/4h+165℃/8h |
|
1b |
305 |
16.0 |
248 |
|
|
2a |
320 |
14.0 |
271 |
95℃/6h+165℃/8h |
|
2b |
320 |
16.0 |
271 |
|
|
3a |
335 |
14.0 |
288 |
95℃/8h+165℃/8h |
|
3b |
335 |
15.0 |
290 |
|
|
4a |
320 |
16.5 |
269 |
105℃/4h+165℃/8h |
|
4b |
325 |
18.5 |
272 |
|
|
5a |
325 |
17.0 |
274 |
105℃/6h+165℃/8h |
|
5b |
325 |
18.0 |
276 |
|
|
6a |
315 |
16.5 |
265 |
105℃/8h+165℃/8h |
|
6b |
320 |
18.0 |
268 |
從表5可以看出，第二級(jí)時(shí)效制度為165℃/8h時(shí)，第一級(jí)選取95度，時(shí)間為8小時(shí)性能比較好，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別可達(dá)335Mpa、289Mpa和14.5%，但未能達(dá)到客戶的使用要求，為此，第一級(jí)時(shí)效制度定為105℃，優(yōu)化第二級(jí)制度，溫度分別為145、155和165℃，時(shí)間分別為6、8、10、12、16、24小時(shí)，結(jié)果如下表所示。
B1：第二級(jí)時(shí)效溫度為145℃
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度Mpa |
斷后伸長(zhǎng)率% |
屈服強(qiáng)度Mpa |
時(shí)效工藝 |
|
1a |
390 |
15.0 |
353 |
105℃/6h+145℃/6h |
|
1b |
390 |
16.5 |
352 |
|
|
2a |
380 |
16.5 |
335 |
105℃/6h+145℃/8h |
|
2b |
385 |
16.0 |
340 |
|
|
3a |
380 |
16.5 |
338 |
105℃/6h+145℃/10h |
|
3b |
390 |
17.0 |
345 |
|
|
4a |
370 |
14.5 |
336 |
105℃/6h+145℃/12h |
|
4b |
365 |
14.5 |
330 |
|
|
5a |
330 |
15.0 |
288 |
105℃/6h+145℃/16h |
|
5b |
325 |
15.5 |
283 |
|
|
6a |
315 |
14.0 |
270 |
105℃/6h+145℃/24h |
|
6b |
315 |
14.0 |
270 |
B2:第二級(jí)時(shí)效溫度為155℃
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度MPa |
斷后伸長(zhǎng)率% |
屈服強(qiáng)度MPa |
時(shí)效工藝 |
|
1a |
380 |
13.0 |
340 |
105℃/6h+155℃/6h |
|
1b |
375 |
14.5 |
337 |
|
|
2a |
350 |
18.0 |
312 |
105℃/6h+155℃/8h |
|
2b |
355 |
16.5 |
315 |
|
|
3a |
350 |
16.0 |
309 |
105℃/6h+155℃/10h |
|
3b |
350 |
17.5 |
314 |
|
|
4a |
380 |
14.5 |
341 |
105℃/6h+155℃/12h |
|
4b |
375 |
13.5 |
343 |
|
|
5a |
350 |
15.0 |
310 |
105℃/6h+155℃/16h |
|
5b |
350 |
15.5 |
311 |
|
|
6a |
305 |
17.0 |
258 |
105℃/6h+155℃/24h |
|
6b |
305 |
17.0 |
259 |
B3：第二級(jí)時(shí)效溫度為165℃
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樣板編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度Mpa |
斷后伸長(zhǎng)率% |
屈服強(qiáng)度Mpa |
時(shí)效工藝 |
|
1 |
360 |
15.5 |
313 |
105℃/6h+165℃/6h |
|
2 |
335 |
15.0 |
286 |
105℃/6h+165℃/8h |
|
3 |
335 |
13.5 |
285 |
105℃/6h+165℃/10h |
|
4 |
360 |
15.5 |
312 |
105℃/6h+165℃/12h |
|
5 |
325 |
15.0 |
271 |
105℃/6h+165℃/16h |
|
6 |
290 |
15.5 |
230 |
105℃/6h+165℃/24h |
根據(jù)上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第一級(jí)為105℃/6h時(shí)，第二級(jí)取145度時(shí)候，6小時(shí)性能較好，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別可達(dá)390Mpa、352Mpa和15.8%，滿足客戶使用要求，同時(shí)，與120℃/24h的單級(jí)時(shí)效相比，強(qiáng)度降低10Mpa左右，但可縮短時(shí)效時(shí)間10小時(shí)以上，顯著降低生產(chǎn)成本和提高效率。
5 結(jié)論
對(duì)于7003鋁合金固溶熱處理工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，淬火后經(jīng)雙級(jí)時(shí)效，T6態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)405MPa、351MPa和13%，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究在線淬火工藝、停放時(shí)間及時(shí)效熱處理等工藝參數(shù)對(duì)性能的影響，經(jīng)在線淬火，停放15天及單、雙級(jí)時(shí)效后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)407MPa、353MPa和15.5%和390MPa、353MPa和15.8%。
(1) 7003鋁合金淬火溫度范圍寬，在440-480℃的溫度范圍內(nèi)淬火，合金性能變化不明顯。
(2) 隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)，7003合金性能有所增加，但幅度不大。
(3) 7003鋁合金最佳的雙級(jí)時(shí)效工藝為105℃/6h+145℃/6h，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率分別可達(dá)390Mpa、352Mpa和15.8%。
