脈沖磁場對7A04鋁合金固溶工藝顯微組織和力學性能的影響

程 橋， 王 軍， 徐 良， 田建明， 陳重毅， 麻永林

(1. 內蒙古科技大學 材料與冶金工程學院(稀土學院)， 內蒙古 包頭 014000；2. 包頭鋁業有限公司， 內蒙古 包頭 014000)

7×××系鋁合金因其具有良好的強度、斷裂韌性[1]、易回收等優點，被廣泛應用在汽車行業、航空航天等領域[2-3]。隨著汽車輕量化趨勢以及節能環保的呼聲越來越高，7×××系鋁合金的性能也需要進一步提升[4]。對鋁合金材料而言，其強度、硬度等力學性能決定了鋁合金在實際生產中的最終應用[5]。對于可熱處理強化的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，其不僅要求將凝固過程中的可溶強化相盡可能回溶到Al基體中，同時要盡可能的溶解難溶第二相(S相、T相、含Fe相等)，為后續時效形成的沉淀強化提供條件[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]，這對于固溶溫度的制定無疑是一種困難，過長的固溶時間也降低了固溶處理的效率。

電磁場熱處理是近年來興起的一種新型熱處理方式，其是在合金進行熱處理時施加不同類型的磁場，從而加速熱處理進程，提高熱處理效果。馮亮亮[11]發現強磁場對于7B04鋁合金固溶、均勻化、時效等熱處理工藝均產生一定的影響，均勻化處理時施加強磁場，T相會轉化為S相，部分S相回溶到基體中，其原因在于強磁場加速了Zn原子和Cu原子的擴散，并且交流電所產生的強磁場對于7A04鋁合金性能提升更好。洪天然等[12]發現在Al-Li合金時效處理過程中施加強磁場，鋁合金的屈服強度會隨著磁場強度的增加而不斷增加。由此可見，不同類型的磁場對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 ℃

目前許多學者對鋁合金強磁場的熱處理進行了很多研究，然而對于鋁合金熱處理時施加弱脈沖磁場所產生的影響卻鮮有報道。于文霞等[13]發現，約20 mT的脈沖磁場對7A04鋁合金進行時效熱處理時，時效所需要的時間縮短，材料的抗拉強度會有所降低，但材料的塑性會提高。為研究弱脈沖磁場參數對7A04鋁合金固溶處理下顯微組織及性能的影響，設定不同固溶處理條件下的脈沖時間參數，并采用Axio-Imager蔡司光學顯微鏡以及鎢燈絲掃描電鏡對顯微組織進行觀察，利用維氏硬度計及萬能試驗機對固溶工藝下的力學性能進行測定。試驗結果可為優化高強鋁合金固溶處理提供一種高效、節能的工藝，并提供試驗數據。

1 試驗材料及方法

試驗材料為7A04鋁合金擠壓棒材，材料具體化學成分如表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 ℃，固溶時間選取60 min。脈沖磁場固溶處理時間選取為30、45和60 min。脈沖磁場參數如下：電流18 A，頻率20 Hz，占空比20%，磁感應強度30 mT。采用Keller溶液對固溶后的試樣進行腐蝕15～20 s。通過Zeiss光學顯微鏡觀察其顯微組織，采用維氏硬度計對其進行硬度測試，載荷為50 N，加載時間為30 s。WDW3200微控電子萬能試驗機測量抗拉強度與伸長率。采用鎢燈絲掃描電鏡觀察粗大第二相溶解情況。

表1 7A04鋁合金的化學成分(質量分數，%)

2 試驗結果及討論

2.1 固溶溫度的選擇

不同溫度固溶60 min后試驗合金的顯微組織如圖1所示，固溶溫度為420 ℃時，擠壓組織未發生固溶及再結晶，存在因擠壓而破碎的難溶物。固溶溫度在440～480 ℃時，組織中淺白色區域增多，固溶效果增加，但組織仍為擠壓態的纖維狀組織，再結晶現象不明顯。同時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間對晶粒的尺寸影響不大。當固溶高于490 ℃時，顯微組織較之前固溶溫度下的組織發生了明顯變化，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，顯微硬度呈上升趨勢，固溶溫度為410 ℃時的顯微硬度值為139.54 HV5，480 ℃ 時的顯微硬度值達到最大，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 脈沖磁場對難溶第二相的影響

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

通過觀察圖3(a)可以看出，未固溶處理的擠壓態原樣中含有較大的圓形S相(A處)和不規則形狀的含Fe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)分布數量減少，從形貌上看，與常規固溶處理60 min時(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Fe相已完全分解，粗大的圓形S相已經分解成為圖3(d)處的圓形區域中的小白點(D處)。圖3(e)中E處是470 ℃常規固溶60 min后S相的分解情況。從形狀大小上看，常規固溶處理60 min后S相分解程度遠不如脈沖磁場固溶處理60 min，含Fe相也已分解。由于Cu原子的擴散激活能均比Mg原子和Zn原子的擴散激活能要大，因此對于S相最后分解的才是Cu原子。綜合圖3可以看出，固溶處理時施加脈沖磁場可促使難溶S相的分解，并減少固溶時間。

2.3 脈沖磁場對7A04鋁合金力學性能的影響

不同脈沖磁場處理時間硬度變化曲線如圖4所

表2 圖3中各點的EDS能譜分析(原子分數，%)

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

圖4 470 ℃脈沖磁場固溶不同時間后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

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

圖5 470 ℃常規和脈沖磁場固溶60 min后 7A04鋁合金的應力-應變曲線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散的影響，7×××系鋁合金固溶擴散機制為交換機制。發生擴散時原子需要克服遷移能和空位形成能[14]。

原子的擴散系數可由式(1)求得：

Ds=D0exp(-Qs/RT)

(1)

式中：Qs為每摩爾原子的擴散激活能，R為氣體常數，T為熱力學溫度，D0為擴散常數，與原子的跳躍條件分數，原子的振動頻率，間隙配位數等有關。

假設相同原子之間的距離為2λ，那么原子發生擴散時距離滿足式(2)[15]：

(2)

式中：t為擴散時間。

通過觀察脈沖磁場固溶處理與常規固溶處理圖片可以得出結論，脈沖磁場固溶處理可以有效地縮短擴散時間。在擴散距離為λ的情況下，擴散時間縮短，原子的擴散系數將會增大。

根據Helmholtz公式：

ΔA=ΔU-TΔS

(3)

式中：ΔA為系統穩定狀態時的自由能，ΔU由熱交換Q和環境的功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和空位數量n決定[16]，即

ΔU=Q+W=nu

(4)

與常規固溶相比，脈沖磁場以磁能[16]形式對系統做功，W取負值，故內能增量ΔU減小和nu乘積減小，即擴散激活能降低。

將式(1)兩邊取對數得：

(5)

圖6為lnDs與1/T關系圖，經過脈沖磁場處理后，降低了強化相原子的擴散激活能，即在相同的固溶溫度下，施加脈沖磁場后擴散系數將會增大，在相同的擴散條件下，施加脈沖磁場可以降低固溶溫度。這就意味著在相同的固溶溫度下，經過脈沖磁場處理后，可以得到較高固溶溫度下原子的擴散系數，可以加速難溶相的回溶以及強化相原子的擴散速度。

圖6 lnDs與1/T關系圖Fig.6 Relationship between lnDs and 1/T

4 結論

1) 7A04鋁合金固溶處理過程中施加磁感應強度為30 mT的脈沖磁場時，可加速S相的分解，從而降低固溶時間。

2) 經脈沖磁場+固溶處理后7A04鋁合金固溶組織的抗拉強度可顯著提升，由常規固溶工藝下的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+固溶處理工藝中，脈沖磁場的施加影響了強化相原子的擴散系數和擴散激活能，從而縮短固溶時間。該工藝為優化高強鋁合金固溶處理提供了一個高效、節能的處理方案。