7n01鋁合金鑄錠均勻化退火工藝研究

7n01鋁合金鑄錠均勻化退火工藝研究

7n01鋁合金具有良好的綜合性能，如高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和焊接性。由于鋁合金結(jié)晶凝固存在著偏析,必須通過(guò)均勻化退火加以消除。而合理的均勻化退火工藝是改善鋁合金鑄錠的組織、消除或減少晶內(nèi)偏析、去除應(yīng)力、防止鋸切和熱變形時(shí)開(kāi)裂、提高制品塑性的有效措施之一。試驗(yàn)研究了7N01鋁合金鑄錠的均勻化退火工藝,以確定最佳的均勻化退火制度,為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)提供參考。1試驗(yàn)計(jì)劃1.1宏觀組織觀察試樣取自半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的7N01鋁合金扁鑄錠(300mm×1200mm)。切取低倍試片進(jìn)行宏觀組織觀察;在試片中間的部位切取力學(xué)性能試樣、顯微組織試樣和電導(dǎo)率試樣;在試片的中間部位切取熱差分析試樣。1.2保溫時(shí)間的測(cè)定均勻化退火試驗(yàn)的加熱溫度為450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃,保溫時(shí)間分別為8h、16h和24h;冷卻方式為空冷。1.3過(guò)燒溫度及金相法分析取鑄態(tài)和經(jīng)過(guò)均勻化退火的試樣分別測(cè)定其常溫力學(xué)性能Rm、Rp0.2和A值及其電導(dǎo)率;采用金相法和熱差分析法測(cè)定7N01鋁合金鑄錠的過(guò)燒溫度;用金相顯微鏡定性觀察7N01鋁合金鑄錠枝晶網(wǎng)在不同均勻化退火制度下的溶解程度和殘存相的大小、數(shù)量及分布情況;通過(guò)測(cè)量鑄錠和經(jīng)過(guò)均勻化退火后的枝晶邊部及中心的顯微硬度值來(lái)考察晶內(nèi)偏析的程度。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1鑄造軸的化學(xué)成分本次試驗(yàn)選用的7N01鋁合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。2.2鑄造鎖組織2.2.1鑄造軸的宏觀組織7N01鋁合金鑄錠斷口的宏觀形貌見(jiàn)圖1所示。圖1顯現(xiàn)出7N01鋁合金鑄錠組織致密,未見(jiàn)夾雜、疏松和氧化膜等冶金缺陷。2.2.2鋁合金鑄錠中間部位和中心部位枝晶網(wǎng)格的大小及其特征7N01鋁合金鑄錠的顯微組織見(jiàn)圖2所示。從圖中可以看出,7N01鋁合金鑄錠的中間部位及中心部位的枝晶網(wǎng)格的大小略有差別,中心部位的枝晶網(wǎng)格大小不均、枝晶網(wǎng)絡(luò)較厚,中間部位的枝晶網(wǎng)絡(luò)較薄,枝晶網(wǎng)格的大小也比中心部位的要均勻一些。其晶粒的平均面積為0.8mm2。2.3鑄錠均勻化前后織物性能變化7N01鋁合金鑄錠在不同溫度均勻化退火后的顯微組織見(jiàn)圖3所示。顯微組織的觀察結(jié)果表明,隨著均勻化退火溫度升高,殘留的化合物逐漸減少,枝晶網(wǎng)變得稀薄、不連續(xù),同時(shí)在基體上出現(xiàn)呈彌散分布的析出質(zhì)點(diǎn)。以450℃~460℃溫度范圍顯微組織變化最為顯著,枝晶網(wǎng)的大部分已固溶,第二相的固溶百分?jǐn)?shù)已超過(guò)50%。退火溫度470℃~480℃顯微組織不再繼續(xù)發(fā)生顯著變化。在490℃時(shí),鑄錠組織出現(xiàn)了明顯的復(fù)熔三角形和復(fù)熔晶界等過(guò)燒特征,表明鑄錠在此溫度均勻化后已過(guò)燒。7N01鋁合金鑄錠經(jīng)不同均勻化制度退火后的力學(xué)性能見(jiàn)表2所示。從表2中可以看出:隨著均勻化退火溫度的提高,鑄錠的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有增加,但是增加的幅度并不太大,而伸長(zhǎng)率則明顯變化。在保溫16h條件下,當(dāng)均勻化溫度從450℃升到480℃時(shí),伸長(zhǎng)率從7.56%增加到15.11%,上升達(dá)7.55個(gè)百分點(diǎn)。在490℃因?yàn)榈腿埸c(diǎn)共晶的復(fù)熔,導(dǎo)致鑄錠的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所下降。由此可見(jiàn)鑄錠經(jīng)過(guò)均勻化退火后,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化并不十分明顯,但是伸長(zhǎng)率卻大大提高。2.4枝晶網(wǎng)狀組織7N01鋁合金鑄錠在470℃保溫不同時(shí)間的顯微組織見(jiàn)圖4所示。由圖4可見(jiàn),隨著均勻化退火保溫時(shí)間的延長(zhǎng),枝晶網(wǎng)狀組織逐漸變得不連續(xù),化合物的大小和尺寸趨于減小,析出質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量略有增加。從表2中還可以看出,在相同的加熱溫度下,隨著均勻化退火保溫時(shí)間的延長(zhǎng),抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的變化幅度并不大,這表明雖然均勻化退火溫度和保溫時(shí)間是決定均勻化退火效果的兩個(gè)重要參數(shù),但是加熱溫度對(duì)均勻化的影響遠(yuǎn)大于保溫時(shí)間的影響。2.5均勻化退火制度對(duì)電導(dǎo)率的影響由于電導(dǎo)率是對(duì)合金組織變化很敏感的參數(shù),可以通過(guò)測(cè)定7N01鋁合金鑄錠電導(dǎo)率的變化來(lái)考察合金的均勻化退火的效果。7N01鋁合金鑄錠不同均勻化退火制度下的電導(dǎo)率見(jiàn)圖5所示。圖5表明,經(jīng)過(guò)均勻化退火后的試樣電導(dǎo)率較之鑄態(tài)的均有較大的提高,其中450℃和460℃均勻化后的電導(dǎo)率比鑄態(tài)的電導(dǎo)率分別提高了5.91%IACS和6.95%IACS。說(shuō)明從基體中析出的第二相質(zhì)點(diǎn)占據(jù)了較多的空位,降低了電子散射的幾率,從而使鑄錠的電導(dǎo)率提高。這與顯微組織的觀察結(jié)果相吻合。2.6顯微硬度應(yīng)力對(duì)于半連續(xù)鑄造的鑄錠,由于快速冷卻和不平衡結(jié)晶的影響,導(dǎo)致合金元素分布不均勻,容易形成晶內(nèi)偏析,7N01鋁合金也不例外。為了考察均勻化退火制度對(duì)晶內(nèi)偏析的消除程度,通過(guò)測(cè)量枝晶網(wǎng)中心與枝晶網(wǎng)邊部的顯微硬度來(lái)檢查晶內(nèi)偏析的嚴(yán)重性和消除情況。圖6為7N01鋁合金鑄態(tài)和經(jīng)均勻化退火后試樣的顯微硬度(負(fù)荷98mN)印痕組織圖片。從圖6中可以看出,鑄態(tài)的枝晶網(wǎng)中心與枝晶網(wǎng)邊部的顯微硬度印痕有著明顯的差別,表明在枝晶網(wǎng)內(nèi)存在著晶內(nèi)偏析。當(dāng)均勻化退火溫度達(dá)到450℃時(shí)、保溫時(shí)間達(dá)到8h,枝晶網(wǎng)中心與枝晶網(wǎng)邊部的顯微硬度接近一致,表明此鑄錠基體的成分已充分?jǐn)U散,從而證明只要溫度不低于450℃、保溫時(shí)間不少于8h均勻化處理,就可以消除晶內(nèi)偏析。2.7過(guò)燒特征分析從顯微組織觀察得知,當(dāng)均勻化退火加熱溫度為490℃時(shí),在7N01鋁合金鑄錠組織的基體中出現(xiàn)了復(fù)熔三角形和復(fù)熔晶界等過(guò)燒特征,表明在該溫度下試樣已過(guò)燒(見(jiàn)圖3e)。圖7為7N01鋁合金鑄錠的熱差分析曲線。根據(jù)熱差分析曲線,曲線上存在一個(gè)吸熱峰,鑄錠試樣吸熱峰的開(kāi)始溫度為489.92℃。這條吸熱峰是α+T共晶相在489℃發(fā)生復(fù)熔造成的。在該溫度下低熔點(diǎn)共晶相已經(jīng)熔化,說(shuō)明過(guò)燒溫度為489℃。通過(guò)積分還可得到吸熱峰的熱焓值,鑄錠試樣熱焓值為371.78mJ。3均勻化退火過(guò)程熱差試驗(yàn)和金相試驗(yàn)設(shè)計(jì)7N01鋁合金屬于Al-Zn-Mg系,在半連續(xù)鑄造的條件下,由于快速冷卻,會(huì)造成鑄錠的化學(xué)成分和組織的不均勻性,同時(shí)鑄錠中存在較大的內(nèi)應(yīng)力,在隨后的鋸切和熱加工時(shí)容易開(kāi)裂,需要通過(guò)均勻化退火來(lái)加以改善。從Al-Zn-Mg系合金靠近鋁角部分的三元相區(qū)分布圖中可以看出,7N01鋁合金處于α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)兩相區(qū)內(nèi),其化合物以T(Al2Mg3Zn3)為主,還有少量的Mg2Si和(AlFeMnSi)等。在均勻化退火過(guò)程中,不平衡共晶α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)等固溶到α(Al)中,以及從過(guò)飽和固溶體中析出含錳的化合物質(zhì)點(diǎn)和T相質(zhì)點(diǎn)等。根據(jù)熱差試驗(yàn)和金相的分析結(jié)果,結(jié)合Al-Zn-Mg三元相圖,處于兩相區(qū)的7N01鋁合金的過(guò)燒溫度為489℃,即二元共晶α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的熔化溫度。試驗(yàn)結(jié)果表明,均勻化退火的加熱溫度對(duì)均勻化退火效果的影響要比均勻化退火保溫時(shí)間的影響更為顯著,加熱溫度升高,保溫時(shí)間可以適當(dāng)縮短。這是因?yàn)榧訜釡囟仍礁?鋁合金中的原子的擴(kuò)散速度越大,使之較快地向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變,同時(shí)均勻化退火加熱溫度越高,化合物的溶解越充分,殘留的化合物越少;而在某一固定溫度下,擴(kuò)散流量將隨濃度梯度的減少而變小,若再延長(zhǎng)保溫時(shí)間,溶質(zhì)原子的遷移量也不會(huì)增加,即均勻化退火的效果不再增加,同時(shí)保溫時(shí)間延長(zhǎng),還會(huì)增加金屬的氧化和熱能消耗,降低生產(chǎn)效率。為了提高鋁合金鑄錠的塑性,應(yīng)盡可能提高均勻化退火的加熱溫度,同時(shí)為了避免過(guò)燒,最高均勻化退火加熱溫度一般應(yīng)低于過(guò)燒溫度20℃左右,且鋁合金中化合物的固溶情況應(yīng)超過(guò)50%,并沒(méi)有明顯的晶內(nèi)偏析。故7N01鋁合金均勻化退火最佳制度以加熱溫度為460℃、保溫時(shí)間為16h為宜,它可使7N01鋁合金鑄錠的塑性提高7.02個(gè)百分點(diǎn),枝晶偏析基本消除,粗大的平衡相基本溶入基體,而基體沒(méi)有明顯粗化。與此同時(shí),由于非平衡組織的消除,激冷造成的鑄造應(yīng)力隨之消除。4鋁合金鑄錠過(guò)燒溫度(1)7N0