0.   引言

近些年,輕量化一直是汽車行業的研究熱點[1]。汽車結構質量每減輕10%,燃油消耗可降低6%~10%,尾氣排放量可減少4%[2-5],基于節能和環保的需求,輕量化對于汽車的發展具有重大意義。鋁合金具有比強度高、易加工等優點,廣泛應用于汽車輕量化發展,常用的鋁合金包括5083、6061、7075鋁合金等[6]。高強鋁合金在室溫下的斷后伸長率較低,成形時回彈難以控制,容易出現破裂,成形性較差[7]。相比室溫成形,熱成形可以提高材料塑性,改善成形性能。傳統的熱成形工藝一般將板料加熱到固溶溫度,保溫一段時間后降到一定溫度進行沖壓成形,成形以后進行淬火,最后進行時效處理；其工序繁多,時效時間過長,且難以保證成形精度。已有研究表明通過化學成分調整[8]、時效工藝優化[9]等方法可以縮短時效時間,提高生產效果。此外,采用預時效-溫成形工藝也可以有效縮短時效時間以及降低成本。預時效-溫成形在材料固溶淬火后,增加一道低溫預時效處理,再在一定溫度成形。作者對7075-T6鋁合金進行了不同預時效溫度、預時效時間、成形溫度的預時效-溫成形處理,研究了工藝參數對合金組織和性能的影響,確定了最佳工藝參數。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為7075-T6鋁合金板,市售,厚度為2 mm,化學成分（質量分數/%）為5.2Zn,2.3Mg,1.5Cu,0.13Fe,0.03Si,0.18Mn,0.2Cr,余Al；抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和硬度分別為557.05 MPa,488.62 MPa,13.5%,174 HV。鋁合金的預時效-溫成形工藝如下：切取尺寸為300 mm×200 mm×2 mm的試樣,加熱至480 ℃保溫30 min固溶,水淬,再分別進行85,100,120 ℃保溫0~32 h的預時效處理,將預時效后的試樣分別升溫至150,200,250,300 ℃,保溫3 min進行成形。為模擬汽車制造最后一步的烤漆硬化處理,對成形試樣進行180 ℃×30 min的烘烤處理。 

在預時效-溫成形試樣上采用線切割取樣并進行鑲樣,依次使用200#~5 000#砂紙進行水磨,拋光至表面無劃痕,使用凱勒試劑腐蝕,采用DS-300型光學顯微鏡觀察顯微組織并統計晶粒尺寸。根據GB/T 228.3—2019,制取如圖1所示的拉伸試樣,在英斯特朗3382型拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為3 mm·min−1,采用的引伸計長度為30 mm。采用SU-5000型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。采用HVS-50型維氏硬度計測試顯微硬度,載荷為98 N,保載時間為10 s,測7個點取平均值。 

圖  1  拉伸試樣的尺寸

Figure  1.  Size of tensile specimen

2.   試驗結果與討論

2.1   對組織的影響

在時效過程中,7075鋁合金會依次析出過飽和固溶體、GP區、η´相、η相[10-13]。由圖2可見：85 ℃下預時效不同時間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的晶粒尺寸相差不大,這說明預時效時間對晶粒尺寸的影響不大；隨著預時效時間延長,基體中析出相的數量增多,當預時效時間為24 h時,成形合金中的析出相數量較多,晶粒尺寸最小,大量的η´相分布在基體中。由圖3可見,相比預時效溫度為100,120 ℃時,85 ℃下預時效24 h-溫成形后產生析出相的數量較少,尺寸較小。 

圖  2  85 ℃下預時效不同時間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的顯微組織與晶粒尺寸

Figure  2.  Microstructures and grain size of 7075 aluminum alloy after pre-aging at 85 ℃ for different times and warm forming at 150 ℃

圖  3  不同溫度下預時效24 h并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的顯微組織

Figure  3.  Microstructures of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for 24 h and warm forming at 150 ℃

2.2   對性能的影響

由圖4可見,隨著預時效時間延長,預時效-溫成形7075鋁合金的硬度和強度均先增加后減小。這主要是因為固溶淬火后合金中的析出相以GP區為主,在預時效處理過程中,隨時效時間延長,GP區成為η´相形核的核心并逐漸轉變為η´相,GP區和η´析出相的數量不斷增加并在預時效24 h后達到峰值,η相數量相對較少,析出強化導致材料的硬度和強度提升；預時效一定時間后,發生過時效,η´相轉變為穩態的η相,GP區和η´相發生粗化,導致材料性能下降[13]。隨著預時效溫度上升,7075鋁合金的硬度和強度增大,這是因為較低預時效溫度下析出的GP區數量較少；相比預時效溫度100,120 ℃下,預時效溫度85 ℃下的斷后伸長率較高,這是因為較低溫度下預時效析出的第二相尺寸較小。 

圖  4  不同溫度預時效不同時間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的力學性能

Figure  4.  Mechanical properties of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for different times and warm forming at 150 ℃: (a) hardness; (b) tensile strength; (c) yield strength and (d) percentage elongation after fracture

由圖5可見,在85 ℃預時效24 h并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的拉伸斷口中的韌窩數量最多,深度最大,且穿晶斷裂占比較高,說明該條件下成形的合金塑性較好、強度較低。斷口形貌所得結論與性能測試結果吻合。綜合考慮,最佳預時效工藝參數為預時效溫度85 ℃,預時效時間24 h,在該條件下預時效并在150 ℃下溫成形后合金的綜合性能優異,抗拉強度達到528 MPa,接近T6態的95%,斷后伸長率高達22.03%,相比T6態提升了63%。 

圖  5  不同溫度下預時效不同時間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的拉伸斷口形貌

Figure  5.  Tensile fracture morphology of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for different times and warm forming at 150 ℃

由圖6可見：經85 ℃×24 h預時效后進行溫成形,隨著溫成形溫度升高,7075鋁合金的硬度和強度均減小,當成形溫度為150 ℃時,硬度和強度均最大。溫成形加熱保溫時間均僅為3 min,較短,析出相沒有足夠的時間進行轉化,但升高溫度會促進η´向η相的轉化以及η相的粗化,因此,150 ℃下成形時保留了較多的η´相,而η相成為較高溫度下的主要析出相。較高溫度成形時產生的較多η相和析出相的粗化,導致了性能的下降。 

圖  6  85 ℃×24 h預時效并不同溫度下溫成形后7075鋁合金的力學性能

Figure  6.  Mechanical properties of 7075 aluminum alloy after 85 ℃×24 h pre-aging and warm forming at different temperatures : (a) hardness and (b) strength and percentage elongation after fracture

綜上,最佳預時效-溫成形工藝參數為預時效溫度85 ℃,預時效時間24 h,成形溫度150 ℃。最佳預時效-溫成形工藝參數下,烘烤前后7075鋁合金的抗拉強度分別為528.91,544.23 MPa,屈服強度分別為403.86,448.26 MPa,斷后伸長率分別為22.03%,16.52%。在預時效-溫成形后進行烘烤處理,可以提高鋁合金強度,但略微降低了其塑性。推測強度的提升是因為烘烤后已溶解的GP區和η´相重新析出。 

3.   結論

（1）隨著預時效時間延長,預時效-溫成形后7075鋁合金晶粒尺寸無明顯變化,析出相數量增多；相比預時效溫度為100,120 ℃時,預時效溫度為85 ℃時析出相的數量較少,尺寸較小。 

（2）隨著預時效時間延長,預時效-溫成形后7075合金的硬度和強度均先增加后減??；相比預時效溫度為100,120 ℃時,預時效溫度為85 ℃時硬度和強度較大,斷后伸長率較??；隨著溫成形溫度升高,硬度和強度均減小。最佳預時效-溫成形工藝參數為預時效溫度85 ℃、預時效時間24 h、溫成形溫度150 ℃,此時合金綜合性能最佳,抗拉強度達到528 MPa,接近T6態的95%,斷后伸長率高達22.03%,相比T6態提升了63%。 

（3）對預時效-溫成形鋁合金進行180 ℃×30 min的烘烤處理可以提升強度,但會降低塑性。

文章來源——材料與測試網