不同時效制度對7003合金力學及腐蝕性能的影響

董軍賀，何 強，劉麗瑜，王志永，劉勇凱，王 爽

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金具有密度小、耐腐蝕、可回收利用等優點，在交通運輸工具上的應用日益擴大，采用高強度鋁合金制造大型結構件是實現交通運輸工具輕量化的有效措施[1-3]。隨著航空、船舶、汽車、軌道、軍工等領域的高速發展，對鋁合金材料的強度及韌性的要求也越來越高，而7003鋁合金屬于Al-Zn-Mg系，它具有中等強度和韌性，良好的焊接性能及優良的抗腐蝕性，在車輛、建筑、橋梁、工兵裝備和大型壓力容器等領域都得到廣泛應用[4-6]。本文通過研究不同時效制度對7003合金的強度、韌性和腐蝕性能的影響，探索滿足7003合金兼有強度和韌性，又具有良好腐蝕性能的時效工藝方案。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選擇7003合金為研究對象，采用12.5MN油壓雙動臥式鋁擠壓機生產80 mm×4 mm板材，擠壓工藝參數見表1，并采用在線淬火方式。將擠壓后合金試樣進行雙級時效，時效制度見表2。

表1 7003合金擠壓工藝參數

表2 雙級時效制度

1.2 試驗方法

將時效后的產品沿擠壓方向加工成長200 mm標準拉伸試樣，在日本島津AG-X100型電子萬能試驗機上進行室溫力學性能測試；根據GB/T 22639—2008和GB/T 7998標準分別進行剝離腐蝕和晶間腐蝕試驗，然后利用金相顯微鏡觀察合金試樣表面腐蝕形貌，并評定剝離腐蝕等級和測量晶間腐蝕深度。

2 試驗結果與分析

2.1 成分檢測

利用直讀光譜儀對7003合金進行化學成分檢測，結果見表3。

表3 7003鋁合金的化學成分(質量分數，%)

2.2 力學性能

合金試樣在不同熱處理制度下的力學性能檢測結果，見表4。7003合金經不同時效制度的強度、延伸率變化曲線，見圖1。由表4和圖1可以看出，1#試樣時效制度為峰值時效，合金力學性能值最高，但隨著時效溫度的升高以及時效時間的延長，合金抗拉強度和屈服強度卻逐漸降低，且所對應的屈強比也逐漸降低。此外，合金斷面延伸率略有升高，但變化并不明顯。

表4 力學性能檢測結果

圖1 7003合金不同時效制度下力學性能

圖2為合金試樣在不同時效溫度和不同時效時間下的力學性能變化曲線圖。可以看出，隨著時效溫度從150 ℃升至170 ℃，合金抗拉強度和屈服強度明顯下降，但延伸率并無明顯變化，見圖2(a)。另外，隨著時效時間的延長，合金抗拉強度、屈服強度和延伸率變化并不明顯，這說明時效溫度對合金強度影響更為顯著。在二級時效時間為10 h時，合金處于溶質原子團聚區(GP)為主要強化相階段。在二級時效溫度為150 ℃時，GP區細小，呈彌散分布，合金的強度和硬度均有明顯的提高。但隨著二級時效溫度的升高，外界提供的能量增大，使GP區越過自身的成長壁壘，開始聚集長大，并逐漸析出過渡相η′，GP區的強化作用也隨之減弱，造成合金力學性能下降。因此二級時效溫度選擇150 ℃為宜，合金力學性能也最佳。

2.3 腐蝕性能

圖3為1#、4#試樣剝落腐蝕試驗宏觀形貌圖片，圖4為1#、4#試樣晶間腐蝕宏觀形貌圖片。從圖3和圖4可以看出，經過不同時效制度處理后的合金試樣，其抗剝落腐蝕及晶間腐蝕能力局部存在較大差異。根據GB/T 22639《鋁合金加工產品的剝落腐蝕試驗方法》和GB/T7998《鋁合金晶間腐蝕測定方法》，可以初步評定1#～3#試樣時效制度剝落腐蝕和晶間腐蝕性能最差，腐蝕等級為EA級，晶間腐蝕深度為0.080 mm，而相同時效制度下，4#～10#試樣剝落腐蝕性能較好，腐蝕等級為PC級，且無晶間腐蝕現象。這是因為鋁合金的耐腐蝕性在很大程度上取決于析出相的尺寸、分布和數量，尤其與其分布和形態有關。據相關研究[7]，當鋁合金晶界析出相呈連續網狀分布時，在腐蝕環境中，容易形成陽極腐蝕通道，加速合金的晶間腐蝕進程，并逐步發展成剝落腐蝕，其所表現出來的抗剝落腐蝕性能較差。

(a)時效溫度的影響；(b)時效時間的影響

(a)4#試樣，PC級；(b)1#試樣，EA級

(a)4#試樣，無晶間腐蝕；(b)1#試樣，晶間腐蝕

隨著時效溫度的升高，時效時間的延長，鋁合金晶界處第二相逐漸粗化，呈不連續、離散分布，這就切斷了合金的陽極腐蝕通路，腐蝕時也只是單個粒子溶解，降低了合金的腐蝕敏感性，從而使合金的抗腐蝕性能得到顯著提高，而且隨著晶界析出相的粗化、間距增大，抗剝落腐蝕性能增大[8]。另一方面隨著時效程度的加深，GP區的粒子開始逐漸長大粗化，逐漸析出η′(MgZn2)相，并與基體產生半共格的界面，阻礙了合金的腐蝕通道，使合金的耐腐蝕性得到很大提升。

3 結論

對7003合金進行不同的時效熱處理，經力學性能及腐蝕性能檢測，采用100 ℃×8 h+150 ℃×14 h時效制度，產品的力學性能和屈強比綜合性能最佳，而且相對腐蝕性能較好，剝落腐蝕可達PC級，且無晶間腐蝕現象。