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工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組織性能與生產應用

2019年07月05日 08:37:09 中國有色金屬報

  2018年12月26日,爲進一步做好重點新材料首批次應用保險補償試點工作,工信部發布了《重點新材料首批次應用示範指導目錄(2018年版)》的通告。通告表示,該目錄自發布之日起實施,原《重點新材料首批次應用示範指導目錄(2017年版)》(工信部原(2017)(68號)同時廢止。

  列入示範目錄的8種鋁材是:7050合金大規格預拉伸厚板、7B50合金大規模預拉伸板、含Sc鋁合金加工材、航空支撐骨架用型材、耐損傷鋁合金預拉伸板、高性能車用鋁合金薄板、Al-Si-Sc焊絲、鋁-鋰合金焊絲。

  此外,在目錄中還收錄了2種鎂材、8種鈦材、2種銅材,多種有色金屬復合材料、高溫合金及有色金屬新材料。

  7050合金

  7050合金是一種美國合金,1971年在美國鋁業協會公司注冊,注冊成分(質量%):0.12Si、0.15Fe、2.0Cu~2.6Cu、0.10Mn、1.9Mg~2.6Mg、0.04Cr、5.7Zn~6.7Zn、0.06Ti、0.08Zr~0.15Zr,其他雜質單個0.05、總計0.15,其餘爲Al。它是一種第三代Al-Zn-Mg-Cu系合金,中國標準GB/T 3190已將此合金納入,所以它既是一種廣爲應用的國際合金,也是一種納入中國國家標準的合金。

工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組織性能與生產應用

  7050合金是一種Al-Zn-Mg-Cu系的高強度可熱處理強化的變形鋁合金,又稱超硬鋁,可生產厚板、型材、鍛件和線材等,不用於軋制薄板。與第一個該系合金7075的成分比較,增加了鋅、銅含量,增大了鋅鎂比,並用鋯取代鉻作爲晶粒細化劑,增加了鋅、銅含量,增大了鋅鎂比,並用鋯取代鉻作爲晶粒細化劑,而大大減少了鐵、硅含量。由於這些成分的改進以及採用過時效處理,使7050合金在保持較高強度水平下,具有韌性好、疲勞強度高與淬火敏感性低特點。

  成分的優化與組織

  7050合金是在鋁-鋅-鎂系合金的基礎上發展起來的。要提高合金的強度,只有提高鋅和鎂的濃度,但Zn+Mg的含量≥(8~9)%以後,強度雖然可以提高到600N/mm2以上,而塑性和抗應力腐蝕性能卻強烈下降,失去了使用價值。後來發現銅能有效改善高濃度鋁-鋅-鎂合金的塑性和抗蝕性,特別是鉻能顯著提高抗應力腐蝕性能以後,鋁-鋅-鎂-銅系合金才得到發展,也爲7050合金的誕生創造了條件。

  由Al-Zn-Mg-Cu系相圖可知,工業用此類合金的主要相組成爲α+η(MgZn2)+T(Al2Mg3Zn3)+S(Al2CuMg),但因Cu含量不同而稍有變化。當含(5%~7%)Zn和(1%~3%)Mg時,若Cu>0.7%即會出現S相,Cu>2%還會出現θ相。但超硬鋁的主要強化相是η相。η相在470℃的最大溶解度可達28%,而室溫時僅4%,所以有極高的時效強化作用。

  Al-Zn-Mg-Cu系合金的時效過程與Al-Zn-Mg合金的一樣,也是:GB區→η'→η→T相,但在100℃~160℃時效,只發生η相的沉澱過程,只有當Ta(時效溫度)>270℃後才能出現η→T的沉澱過程。這是因爲Zn的擴散系數比Mg的高,低溫時效只能發生富Zn相MgZn2的沉澱過程,高溫時效才能發生富Mg相T的沉澱過程。

工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組織性能與生產應用

  超硬鋁的含Cu>0.7%後,在125℃~150℃時效,可以認爲是在Al-Zn-Mg系沉澱過程(GP區→η'→η→T)的基礎上,又出現了Al-Cu-Mg系的沉澱過程(GP區→S'→S)。

  超硬鋁的顯微組織隨着溫度的升高而向更高的時效階段發展,即GBP(晶界沉澱相)和MPT(基體沉澱相)變粗,PFZ(晶間無沉澱帶)變寬。這種過時效組織對抗應力腐蝕和斷裂韌性有利,但卻使強度性能降低15%~20%。

  Mn、Cr、Zr、Ti對超硬鋁的影響與對Al-Zn-Mg合金一樣,也是爲了改善加工塑性和抗蝕性。Zn+Mg含量≥9%的合金,在淬火和時效後有嚴重的沿晶脆性斷裂現象,伸長率很低。加入上述微量元素後,由於形成了不易被位錯切割的化合物AlMgMn、Al(FeMn)Si、Al12Cr2Mg、Al20Cu2Mn、Al3Zr,並且改變了GB區、η'和η相的性質、尺寸和分布狀態,因而改變了位錯的運動方式,位錯分布也均勻,不會在晶界形成應力高度集中點,結果改善了塑性和SCR。Mn和Cr能增加超硬鋁的淬火敏感性,Cr的影響比Mn的還大,必須用高的淬火冷卻速度才能保證時效後強度,但厚板和大型鍛件即使採用高速淬火也淬不透,而且會產生嚴重的變形。因此,7050合金不含Mn和Cr,而且微量Zr(0.08%~0.25%)作爲再結晶抑制劑,可在熱水中淬火,不僅能降低淬火應力,而且大截面的厚板和鍛件能獲得高的強度,因爲Zr能形成微細的不溶解質點Al3Zr,對淬火敏感性影響,Mn和Cr則不同,能同主要元素形成粗大的Al12CrMg2、Al26Cu2Mn化合物,不僅降低了Cu和Mg在α固溶體中的過飽和度,而且在淬火冷卻過程中或時效初期還能沿這些質點析出粗大的η'或η相,使合金強度大幅降低。

  7050合金是一種高純度合金,≤0.12%Si、≤0.15%Fe、≤0.10%Mn、Fe和Si不僅對強度和抗蝕性有害,還能同Mn和Cu形成有害於平面應變斷裂韌度KIC的夾雜相Al7Cu2Fe、Al17Cu2(FeMn)2、Al6(FeMn)和Al(FeMn)等,這就保證了7050合金有高的塑性和平面應變斷裂韌度、強度,而且有低的淬火敏感性,成爲一種綜合性能最佳的航空航天厚板與鍛件鋁合金。

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  熱處理與物理化學性能

  7050合金鍛件的固溶處理溫度468℃~474℃,在54℃~66℃溫水中淬火(按Q/6SZ925);厚板固溶處理溫度471℃~482℃,在室溫涼水中淬火,轉移時間≤15S,最好在輥底式爐內固溶爐內處理,人工時效制度見表1。

  厚板在固溶處理後與時效處理前應進行預拉伸變形,因是在下一道工序(時效處理)之前進行故稱預拉伸,其永久變形量爲1.5%~3%,以消除其中的淬火內應力。對於自由鍛件(T7452)在固溶處理後時效處理前可進行壓縮變形,其永久變形量爲1%~3%,以消除內應力。

  淬火內應力如不消除,在鋸切、銑削加工等機械加工時,板材會發生嚴重變形或甚致斷裂,另外殘餘應力雖對材料拉伸性能的影響很小,但對應力腐蝕開裂、疲勞特性及斷裂韌度有明顯影響。消除或減輕殘餘應力可用加熱法與機械法,前者是採用單獨加熱或與熱處理同時進行如退火等,後者爲拉伸、壓縮、噴丸等。這些方法都得到了應用。

  對7075、7050合金厚板用拉伸消除殘餘應力時,永久變形量達到0.5%,可消除75%~80%的殘餘應力,再增加拉伸量,殘餘應力的下降非常緩慢,即使永久變形量達到3.5%,板中仍保留着約4.5%的殘餘應力,故拉伸變形量定爲1%~3%,實際生產中的永久拉伸變形量大都在2%左右。中國供應的7050合金半成品的狀態與規格見表2。

  7050合金可用傳統的鋁合金熔煉與鑄造設備,但熔煉時不要混入雜質,因爲它的純度相當高。它的熔化溫度爲488℃~630℃,鑄造溫度700℃~730℃,鑄錠尺寸較小時鑄造溫度可適當降低。25℃時7050-T7651合金的熱導率154W/(m·℃),7050-T74、-T7452、-T7451合金的157W/(m·℃);在100℃時7050合金的比熱容963J/(kg·C)。

  7050合金的密度2.82g/cm3;室溫時的電阻率40.9nΩ·m;7050-T7651材料的電導率≥21.5Ms/m,-T74、-T7452、-T7451材料的≥22.0Ms/m;7050合金無磁性。

  7050合金有良好的抗氧化性能,但抗一般腐蝕的性能還不如7075合金的,不過卻具有相當強的抗剝落腐蝕和應力腐蝕性能,C形試樣的應力腐蝕試驗結果見表3。

工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組織性能與生產應用

  力學性能

  技術標準規定的7050合金力學性能見表3~4,材料的斷裂韌性見表5~6,其他力學性能可查閱有關手冊。

工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組織性能與生產應用

工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組織性能與生產應用

  7050-T74合金厚50mm~60mm的模鍛件S-L方向試樣的應力腐蝕斷裂韌度爲22.2(N/mm2)·√m,疲勞裂紋擴張速率(da/dt)爲3.68×10-8m·/s。

  組織結構、工藝性能與應用

  7050合金基本相組成爲α-Al和MgZn2,次要的相爲Al3Zr、Al7Cu2Fe、Mg2Si和Al13CuMg4等。Al3Zr呈彌散球形狀,一般以亞穩態形式存在,具有體心立方晶格,只有長時間高溫退火,才會形成穩態的密集六方晶格。

  7050合金的形成性能與7075合金的差不多,成形工藝、加熱溫度與時間均大體相當,開鍛溫度不宜大於420℃,否則會產生熱脆,錘鍛時更應注意,終鍛溫度應≥280℃。7050合金的可焊性不佳,不宜熔焊,可進行電阻焊,當然摩擦攪拌焊(FSW)最佳。鍛件固溶處理時,爲了避免淬火變形和降低殘餘應力,最好盡可能地採用較緩慢的冷卻速度,如淬火水溫可控制在54℃~66℃,板材應在輥底式爐內淬火,中國擁有全世界最多的先進輥底式固溶處理爐,可處理板材的最大厚度可達250mm,全國有7家軋制廠擁有這種處理爐。

  7075合金的表面處理與其他7XXX系合金的相同。有良好的可切削加工性能與磨削性能,爲防止鍛件切削溫度過高引起變形,切削區溫度應

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