不同时效制度对7003合金力学及腐蚀性能的影响

董军贺，何 强，刘丽瑜，王志永，刘勇凯，王 爽

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝合金具有密度小、耐腐蚀、可回收利用等优点，在交通运输工具上的应用日益扩大，采用高强度铝合金制造大型结构件是实现交通运输工具轻量化的有效措施[1-3]。随着航空、船舶、汽车、轨道、军工等领域的高速发展，对铝合金材料的强度及韧性的要求也越来越高，而7003铝合金属于Al-Zn-Mg系，它具有中等强度和韧性，良好的焊接性能及优良的抗腐蚀性，在车辆、建筑、桥梁、工兵装备和大型压力容器等领域都得到广泛应用[4-6]。本文通过研究不同时效制度对7003合金的强度、韧性和腐蚀性能的影响，探索满足7003合金兼有强度和韧性，又具有良好腐蚀性能的时效工艺方案。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选择7003合金为研究对象，采用12.5MN油压双动卧式铝挤压机生产80 mm×4 mm板材，挤压工艺参数见表1，并采用在线淬火方式。将挤压后合金试样进行双级时效，时效制度见表2。

表1 7003合金挤压工艺参数

表2 双级时效制度

1.2 试验方法

将时效后的产品沿挤压方向加工成长200 mm标准拉伸试样，在日本岛津AG-X100型电子万能试验机上进行室温力学性能测试；根据GB/T 22639—2008和GB/T 7998标准分别进行剥离腐蚀和晶间腐蚀试验，然后利用金相显微镜观察合金试样表面腐蚀形貌，并评定剥离腐蚀等级和测量晶间腐蚀深度。

2 试验结果与分析

2.1 成分检测

利用直读光谱仪对7003合金进行化学成分检测，结果见表3。

表3 7003铝合金的化学成分(质量分数，%)

2.2 力学性能

合金试样在不同热处理制度下的力学性能检测结果，见表4。7003合金经不同时效制度的强度、延伸率变化曲线，见图1。由表4和图1可以看出，1#试样时效制度为峰值时效，合金力学性能值最高，但随着时效温度的升高以及时效时间的延长，合金抗拉强度和屈服强度却逐渐降低，且所对应的屈强比也逐渐降低。此外，合金断面延伸率略有升高，但变化并不明显。

表4 力学性能检测结果

图1 7003合金不同时效制度下力学性能

图2为合金试样在不同时效温度和不同时效时间下的力学性能变化曲线图。可以看出，随着时效温度从150 ℃升至170 ℃，合金抗拉强度和屈服强度明显下降，但延伸率并无明显变化，见图2(a)。另外，随着时效时间的延长，合金抗拉强度、屈服强度和延伸率变化并不明显，这说明时效温度对合金强度影响更为显著。在二级时效时间为10 h时，合金处于溶质原子团聚区(GP)为主要强化相阶段。在二级时效温度为150 ℃时，GP区细小，呈弥散分布，合金的强度和硬度均有明显的提高。但随着二级时效温度的升高，外界提供的能量增大，使GP区越过自身的成长壁垒，开始聚集长大，并逐渐析出过渡相η′，GP区的强化作用也随之减弱，造成合金力学性能下降。因此二级时效温度选择150 ℃为宜，合金力学性能也最佳。

2.3 腐蚀性能

图3为1#、4#试样剥落腐蚀试验宏观形貌图片，图4为1#、4#试样晶间腐蚀宏观形貌图片。从图3和图4可以看出，经过不同时效制度处理后的合金试样，其抗剥落腐蚀及晶间腐蚀能力局部存在较大差异。根据GB/T 22639《铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法》和GB/T7998《铝合金晶间腐蚀测定方法》，可以初步评定1#～3#试样时效制度剥落腐蚀和晶间腐蚀性能最差，腐蚀等级为EA级，晶间腐蚀深度为0.080 mm，而相同时效制度下，4#～10#试样剥落腐蚀性能较好，腐蚀等级为PC级，且无晶间腐蚀现象。这是因为铝合金的耐腐蚀性在很大程度上取决于析出相的尺寸、分布和数量，尤其与其分布和形态有关。据相关研究[7]，当铝合金晶界析出相呈连续网状分布时，在腐蚀环境中，容易形成阳极腐蚀通道，加速合金的晶间腐蚀进程，并逐步发展成剥落腐蚀，其所表现出来的抗剥落腐蚀性能较差。

(a)时效温度的影响；(b)时效时间的影响

(a)4#试样，PC级；(b)1#试样，EA级

(a)4#试样，无晶间腐蚀；(b)1#试样，晶间腐蚀

随着时效温度的升高，时效时间的延长，铝合金晶界处第二相逐渐粗化，呈不连续、离散分布，这就切断了合金的阳极腐蚀通路，腐蚀时也只是单个粒子溶解，降低了合金的腐蚀敏感性，从而使合金的抗腐蚀性能得到显著提高，而且随着晶界析出相的粗化、间距增大，抗剥落腐蚀性能增大[8]。另一方面随着时效程度的加深，GP区的粒子开始逐渐长大粗化，逐渐析出η′(MgZn2)相，并与基体产生半共格的界面，阻碍了合金的腐蚀通道，使合金的耐腐蚀性得到很大提升。

3 结论

对7003合金进行不同的时效热处理，经力学性能及腐蚀性能检测，采用100 ℃×8 h+150 ℃×14 h时效制度，产品的力学性能和屈强比综合性能最佳，而且相对腐蚀性能较好，剥落腐蚀可达PC级，且无晶间腐蚀现象。