郑 英，张 劲，范世通，3，邓运来，3

（1.湖南交通职业技术学院机电工程系，长沙410004；中南大学2.高性能复杂制造国家重点实验室；3.材料科学与工程学院，长沙 410083）

0 引 言

铝锌镁铜系铝合金属高强铝合金，因其比强度和比刚度高而广泛应用于航空航天、交通运输等行业［1］。这种合金在制备中通常需要经过固溶（淬火）和时效来获得所需要的性能。对于大型构件，例如厚板和重锻件，保证表层和心部性能的均匀［2－3］是制备过程中遇到的首要问题。这是因为这类合金的淬火敏感性即铝合金时效热处理后的性能，受到淬火时冷却速率的影响，也是目前亟待解决的关键问题。

由于高强铝合金的传统浸入式淬火工艺从加热炉到淬火装置的工件转移时间过长，给材料性能带来了许多不利影响，所以开发新的淬火工艺以及相应设备得到了国际上的广泛关注。辊底式喷淋淬火［4－5］通过调节喷嘴高度、水流密度、喷水压力和持续时间等工艺条件，既保证了必需的冷却速率又可将板中的残余应力降到最低水平。

对于单级淬火工艺，淬硬深度的提高需要尽量提高冷却速率［6］，但这又会导致淬火后材料表面残余应力的增大，从而降低材料的抗腐蚀性能和断裂韧性。针对这个问题，作者采取分级淬火工艺，研究了淬火工艺参数对材料显微组织、硬度和残余应力的影响，并获得适合于7050铝合金厚板的辊底式喷淋分级淬火工艺。

1 试样制备与试验方法

试验用材料为7050铝合金热轧板，其化学成分（质量分数/%）为 ≤0.04Cr，0.1Zr，6.0Zn，0.05Si，0.05Fe，0.10Mn，2.0Mg，余 Al。首先沿热轧板轧向切取40mm×40mm×150mm的淬火试样，在470℃保温1h后迅速喷淋淬火，水温25℃，然后置于箱式空气炉中进行120℃ ×24h的时效；在时效后试样不同深度切取2mm厚的硬度试样，并采用HV-5型维氏硬度仪测硬度，载荷为29.4N，结果取10次测定平均值。淬火装置与硬度测量位置如图1所述。

图1 淬火装置与硬度测量位置示意Fig.1 Schematic diagram of quenching device and the hardness testing location

单级淬火（用S表示）时，喷水压力p为200kPa，水流密度q为130L·m－2·s－1。根据文献［7］中7050铝合金单级末端淬火试验结果，设计了3组分级（三级）淬火工艺（试验参数如表1所示），并对7050铝合金试样进行分级淬火，试验装置同上。

表1 三种分级淬火工艺制度Tab.1 Parameters of the designed multistage quenching process

参照ASTME837-01标准，使用盲孔法测试样淬火端表面残余应力，试样沿深度方向的残余应力分布使用剥层法测量，两种测量方法的具体理论及计算过程见参考文献［8－9］。淬火后试样经细磨、抛光后采用Graff Sargent试剂（1mL氢氟酸＋16mL硝酸＋3g CrO3＋83mL蒸馏水的混合液）腐蚀，在XJP-6A型光学显微镜下观察淬火后试样的显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 淬硬深度

从图2（a）可见，在20～60mm深度范围内工艺C淬火后的试样硬度最高，工艺B与单级淬火工艺S的试样硬度相当，而工艺A的试样硬度最低。

为更加直观地体现试样的淬硬深度，通常采用相对硬度（某位置的硬度与淬火端面硬度的比值）进行表征［10］。从图2（b）中可以方便地看出硬度分布的不均匀程度；尽管不同淬火工艺下硬度变化不显著，但是分级淬火试样的淬硬深度均要大于单级淬火试样，且其中分级淬火工艺C的淬硬深度最大。第一级淬火时，试样采用较高喷水压力和较低水流密度比采用较低喷水压力和较高水流密度能获得更大的淬硬深度。第二级淬火时，提高水流密度比延长持续时间对试样的淬硬深度更有利。因此，提高淬硬深度的方法除了通过改变合金成分与微量元素［11－12］以外，还可以采用分级淬火工艺。

2.2 残余应力

淬火后试样表面存在残余压应力，心部存在残余拉应力。将表层设为0，中心层设为1，则表层至中心层的深度可标示为0～1的数，即相对深度。由图3可见，介于表面和心部之间存在残余应力中和区（残余应力为0），随着离此区域距离的增大，残余应力值增加。

图2 三种不同分级淬火工艺及单级淬火工艺下7050铝合金试样的硬度曲线Fig.2 The hardness curves of the 7050aluminum alloy samples treated by the three multistage quenching processes and the single-stage quenching process：（a）hardness and（b）relative hardness

从表2可见，单级淬火后试样的最大残余应力都明显高于分级淬火后试样的；此外，工艺B试样和工艺C试样的最大残余应力非常接近，说明淬火第一阶段采用高压、低水流密度工艺几乎不会增加试样的残余应力，且与低压、高水流密度工艺相比冷却效果较好；比工艺C试样相比，工艺A试样的表面最大残余压应力降低了约12MPa，心部最大残余拉应力降低了约6MPa。分级淬火工艺能够在一定程度上实现淬火冷却速率与残余应力的耦合调控。

图3 淬火试样沿深度的残余应力分布Fig.3 The residual stress distribution along thickness in the quenched samples

表2 经不同淬火工艺处理后试样的最大残余应力对比Tab.2 Comparison of the maximum residual stress of the samples quenched in different quenching process MPa

2.3 显微组织

从图4可见，由于试样表面的冷却速率非常大，因此分级淬火后晶界呈条形并沿轧向分布，几乎无亚晶存在。从图5可见，在距表面60mm处，虽然冷却速率明显下降，但组织整体上仍然保持着沿轧向分布的条形晶粒形态，深色晶界逐渐明显，再结晶区域比试样表面的（见图4）明显，图中白色区域为再结晶区域，灰暗区域为亚晶。上述结果表明，冷却速率能够明显影响再结晶结构与析出过程，这也将直接影响试样的硬度［13］。尽管如此，在同等位置（距表面60mm处）的三种分级淬火试样在晶界形貌、第二相粒子分布，以及粗大粒子成分等方面并没有显著差异。经过EDS谱（图略）分析后表明，这些粗大粒子中球状粒子成分接近Al2CuMg相，条状粒子接近Al7Cu2Fe相，如图5（b），（e）所示。这些都与文献中的普通单级淬火后试样十分相似，可见设计的分级淬火工艺对于材料显微组织的影响相比于单级淬火［13］并无明显差异，差异仍然主要出现在垂直于淬火面的方向上。因此，淬火工艺的改变对于试样显微组织的影响十分微小。综上分析，工艺C为优化的热处理工艺。

图4 经三种分级淬火工艺处理后试样表面的显微组织Fig.4 Microstructure of the surface of samples after three multistage quenching（a）process A；（b）process B；（c）process C

图5 经三种分级淬火工艺处理后距表面60mm处试样的显微组织ig.5 Microstructure of the three multistage quenched samples in the thickness of 60mm from surface：（a）process A ，low magnification；（b）process A ，high magnification；（c）process B；（d）process C，low magnification；（e）process C，high magnification

3 结 论

（1）工艺参数对显微组织的影响较小；第一级淬火时，试样采用较高喷水压力和较低水流密度比采用较低喷水压力和较高水流密度能获得更大的淬硬深度；第二级淬火时，提高水流密度比延长持续时间对试样的淬硬深度更有利，但后者残余应力的要小些。

（2）综合淬硬深度和残余应力，最佳的分级淬火工艺为：第一级喷水压力200kPa、流量密度48L·m－2·s－1持续约3s，第二级喷水压力10kPa、流量密度90L·m－2·s－1持续约12s，第三级200kPa、130L·m－2·s－1持续约480s。

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