近年來，隨著全球氣候變暖和能源問題的日益突出，各國政府均要求汽車制造企業(yè)降低產(chǎn)品能耗、減少污染、提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。因此，有必要在保證汽車的剛度、強(qiáng)度、安全性能的前提下，通過改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)和零部件材料，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。在眾多輕質(zhì)材料中，鋁合金密度低、比強(qiáng)度高、易于成形、吸能效果好，被認(rèn)為是最有前途的汽車用輕質(zhì)材料。其中，７×××系列（Al-Zn系列）鋁合金具有比其他系列鋁合金更高的強(qiáng)度，在汽車工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
鋁合金的強(qiáng)度、耐磨性、硬度及一些特殊性能可以通過淬火進(jìn)一步提高，故淬火組織和性能的均勻性與淬火工藝密切相關(guān)。淬火介質(zhì)又是實(shí)施淬火工藝的關(guān)鍵因素之一，常見的淬火介質(zhì)包括水、鹽溶液和油等。這些淬火介質(zhì)的冷卻能力不同，獲得的微觀組織各不相同，從而使淬火后材料的力學(xué)性能也不盡相同。
淬火介質(zhì)選取不當(dāng)可能會造成各種淬火缺陷，如淬透性差、硬度較低甚至淬裂等。故如何選取更合適的淬火介質(zhì)是保證淬火質(zhì)量的最基本因素，對充分發(fā)揮材料的性能潛力具有重要作用。江心等在探討35CrMoV 鋼顯微組織及耐磨性能時，測試了5％ 的鹽溶液、水和淬火油3種淬火介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)選定5％ 的鹽溶液淬火時，該材料具有更好的力學(xué)性能。劉輝 研究了淬火介質(zhì)對彈條扣件組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)用濃度為15％的KR9180水溶性淬火劑代替油淬可以滿足使用要求。Zhang等通過有限元模擬與試驗(yàn)的方法研究了2024鋁合金塊體厚度和淬火介質(zhì)對殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)塊體厚度為20mm和30mm時，PAG溶液淬火后試樣的殘余應(yīng)力比水淬試樣應(yīng)力值小。
PAG聚合物水溶液具有化學(xué)穩(wěn)定性高、使用壽命長、生產(chǎn)環(huán)境安全清潔等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前最受歡迎的水溶性淬火液之一，常用于各類鋼件的淬火。目前，將PAG聚合物水溶液作為7050鋁合金淬火介質(zhì)的系統(tǒng)研究還較少。本文以某汽車用7050鋁合金鍛件為研究對象，選取空氣、水和濃度分別為5％、10％、20％、30％ 的PAG淬火介質(zhì)進(jìn)行對比試驗(yàn)，測定并分析不同的PAG淬火劑濃度對7050鋁合金試樣殘余應(yīng)力、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，可為實(shí)際生產(chǎn)工藝的制定和優(yōu)化提供參考。
1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
為真實(shí)反映淬火介質(zhì)對7050鋁合金組織和性能的影響，并能將研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，本研究選取的試樣為某汽車用7050鋁合金熱鍛件。截取的樣品尺寸為40mm×40mm×120mm，化學(xué)成分如表1所示。
1.2 研究方法
本試驗(yàn)在MXQ1400-30型箱式氣氛爐中進(jìn)行熱處理。先以20K/min的升溫速率將試樣快速加熱至746K并保溫1h，然后將試樣分別轉(zhuǎn)移到濃度為0％（水）、5％、10％、20％、30％ 的PAG淬火介質(zhì)中淬火（轉(zhuǎn)移時間均不大于3s），作為對比試驗(yàn)，同時也采用空氣為淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火。同一組淬火介質(zhì)淬火9個相同試樣，其中3個用于淬火后組織觀察，3個用于殘余應(yīng)力測試，3個用于時效后拉伸強(qiáng)度測試，總共6組54個試樣。
淬火后試樣經(jīng)砂紙打磨，機(jī)械拋光并腐蝕后，采用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察各試樣的微觀組織差異，同時使用附帶的能譜儀（EDS）對第二相進(jìn)行成分分析。利用立式鉆孔檢測法對淬火后的試樣進(jìn)行鉆孔檢測。首先用直徑為?1mm的鉆頭在淬火試樣中部打孔，打孔深度2mm，再用Sigma ASM1.0型殘余應(yīng)力檢測儀進(jìn)行應(yīng)力檢測，獲得不同淬火介質(zhì)試樣的殘余應(yīng)力值，分析PAG濃度對7050鋁合金淬火殘余應(yīng)力的影響情況。時效處理采用T74工藝（393K保溫6h，436K保溫12h）進(jìn)行，各組熱處理參數(shù)見圖1和表2。時效處理后的試樣用SANS CMT5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣按照GB/T 228.1-2020《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行制備，尺寸參數(shù)如圖2所示，加載速度設(shè)為1.5mm/min。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同一參數(shù)試樣在相同條件下重復(fù)拉伸3次，取平均值。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 淬火介質(zhì)對微觀組織的影響
在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用固溶處理加淬火的方法來提高Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金構(gòu)件的力學(xué)性能。然而，不同淬火介質(zhì)的冷卻能力不同，獲得的淬火組織也有差異，這對構(gòu)件的尺寸及性能穩(wěn)定性有顯著影響。根據(jù)前期基礎(chǔ)研究，本文所有鍛造試樣均先在746K溫度下充分固溶1h，使第二相粒子充分溶解到α-Al基體中，形成過飽和固溶體后，再將經(jīng)充分固溶后的試樣分別轉(zhuǎn)移到水溶液、不同濃度（5%、10%、20%、30%）的PAG溶液和空氣中淬火。
不同介質(zhì)淬火處理后試樣的背散射電子像見圖3，可以看出，淬火后α-Al基體上均彌散分布有第二相粒子，這些第二相粒子大部分沿晶界析出，如圖3虛線所示。經(jīng)能譜分析確定這些第二相粒子主要有η相（MgZn2）、S 相（Al2CuMg）和Al17Cu2Fe相，它們在基體中的含量因淬火介質(zhì)的變化而不同。圖3（a）為水淬試樣的微觀組織，第二相顆粒含量極少。圖3（b～e）分別對應(yīng)濃度為5%、10%、20%和30%的PAG淬火試樣組織，發(fā)現(xiàn)隨著PAG溶液濃度的增大，第二相粒子的數(shù)量增多，S相（Al2CuMg）主要呈球形，Al17Cu2Fe相主要為不規(guī)則形。
為了定量分析不同介質(zhì)淬火試樣中第二相的相對含量，采用Ｉmage Ｊ 軟件，通過面積法測量第二相的體積分?jǐn)?shù)，其結(jié)果取多次數(shù)值的平均值。不同介質(zhì)淬火試樣第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)如圖4所示，水中淬火后試樣的第二相粒子體積分?jǐn)?shù)最低，僅為0.31%。在水中加入PAG聚合物淬火后，隨著PAG濃度的增加，淬火后試樣的第二相粒子體積分?jǐn)?shù)也逐漸升高。由圖4可見，在空氣中淬火后試樣的第二相粒子體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他介質(zhì)，約為1.21%。試樣在水中淬火的冷卻速度很快，析出的第二相最少。而在空氣中淬火時的冷卻速率又很慢，析出的第二相最多，見圖3（f）。從圖4可以看出，在不同濃度的PAG聚合物溶液中淬火后試樣的第二相體積分?jǐn)?shù)略高于水中，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣中淬火的體積分?jǐn)?shù)，說明其具有適中的冷卻能力。這主要是由于PAG聚合物是一種非常穩(wěn)定的化合物，一般不會與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且PAG聚合物具有顯著的逆溶性，即它在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，當(dāng)溫度升高到一定程度后，該聚合物就會析出不溶。在7050鋁合金鍛件淬火初期，淬火介質(zhì)迅速升溫，致使PAG聚合物從水溶液中脫溶出來，以聚合物膜的形式粘附在試樣表面，并與蒸汽膜共同作用，可降低水溶液的冷卻速度，避免工件發(fā)生淬火開裂。隨后淬火介質(zhì)進(jìn)入沸騰階段，蒸汽膜和PAG聚合物薄膜破裂，試樣以強(qiáng)對流方式傳熱，冷卻速率加快。隨著淬火的進(jìn)行，當(dāng)溫度下降至逆溶點(diǎn)時，PAG聚合物再次溶入水溶液中，并在試樣表面重新形成聚合物薄膜，使得試樣在低溫區(qū)有較小的冷卻速率，所以在PAG聚合物溶液中淬火的試樣析出相較少。還可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)范圍內(nèi)，試樣在不同濃度的PAG聚合物溶液中淬火，析出相體積分?jǐn)?shù)隨聚合物濃度的增加而增加。
2.2 淬火介質(zhì)對殘余應(yīng)力的影響
對在不同介質(zhì)中淬火處理的試樣分別測量淬火殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，在水中淬火的試樣殘余應(yīng)力最大，其值高達(dá)178.4MPa。在空氣中淬火的試樣殘余應(yīng)力最小，僅為34.8MPa；用PAG溶液淬火的試樣殘余應(yīng)力值處于前兩者之間。
當(dāng)PAG淬火液濃度為5％時，試樣殘余應(yīng)力為163.5MPa，略小于水溶液中的應(yīng)力值；當(dāng)PAG淬火液濃度增加到10%、20%和30%時，試樣的殘余應(yīng)力分別下降為129.6、110.5和89.1MPa，不難看出，PAG淬火介質(zhì)濃度對殘余應(yīng)力的影響很大，隨著PAG淬火液濃度的增加，試樣的殘余應(yīng)力值大大減小。即不同濃度PAG聚合物淬火劑對試樣冷卻能力的影響顯著不同，PAG聚合物濃度越大，在試樣表面形成的聚合物膜越厚，冷卻速度越緩慢，這種冷卻特性有利于降低試樣表面和心部的溫度差，減小殘余應(yīng)力。與PAG濃度為5%時試樣的淬火應(yīng)力相比，PAG濃度為30%時試樣的淬火殘余應(yīng)力下降了45.5%。由此可以看出，合理的PAG濃度有助于調(diào)節(jié)淬火介質(zhì)的冷卻能力，降低試樣的殘余應(yīng)力。
2.3 淬火介質(zhì)對強(qiáng)度的影響
圖6是試樣經(jīng)不同介質(zhì)淬火后再采用T74工藝進(jìn)行雙級時效處理的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。不同淬火介質(zhì)的冷卻能力不同，試樣的拉伸強(qiáng)度也有較大差異。在本研究試驗(yàn)條件下，水中淬火試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高，分別為536和509MPa；不同濃度的PAG聚合物溶液淬火試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有不同，當(dāng)PAG濃度為5％～30％ 時，抗拉強(qiáng)度在496～528MPa之間，屈服強(qiáng)度在463～493MPa之間；可以發(fā)現(xiàn)，隨著PAG濃度的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有下降趨勢，但降幅不大。與水淬相比，濃度為30%的PAG溶液淬火后試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度僅下降了7.5%和9.0%?？諝庵写慊鹪嚇拥目估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度最低，分別為417和396MPa。
從以上分析可以看出，在固溶和時效工藝相同的條件下，淬火介質(zhì)對材料的力學(xué)性能有較大影響。在水中淬火時，冷卻速率最大，固溶在基體中的原子來不及有效擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，所以水淬后的析出相最少，α-Al基體有很大的固溶度，試樣強(qiáng)度最高。而在空氣中淬火，冷卻速率過慢，原子可以快速擴(kuò)散析出大量的第二相，并在后續(xù)的時效過程中持續(xù)長大，這些粗大相會作為變形過程中裂紋的萌生點(diǎn)，并且在腐蝕后會脫落留下腐蝕坑，從而顯著降低鋁合金的力學(xué)性能。而在PAG聚合物溶液中淬火，試樣表面可以形成聚合物薄膜，冷卻速率相較水淬有所降低。所以在PAG聚合物溶液中淬火的試樣有一定的析出相，但α-Al基體仍具有很高的固溶度，試樣強(qiáng)度較高。隨著聚合物濃度的增加，其冷卻性能有所降低，淬火得到的亞穩(wěn)態(tài)固溶體飽和度降低，固溶強(qiáng)化效果也會隨之降低。故可以通過設(shè)置合理的PAG聚合物濃度，控制第二相粒子的析出程度，調(diào)節(jié)基體的固溶度，從而影響材料的力學(xué)性能。
2.4 PAG淬火介質(zhì)濃度確定
圖7給出了6種不同介質(zhì)淬火試樣的第二相體積分?jǐn)?shù)、殘余應(yīng)力、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在水中淬火試樣的第二相體積分?jǐn)?shù)最小，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，但殘余應(yīng)力過高，試樣容易產(chǎn)生淬裂缺陷。而在空氣中淬火試樣的第二相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于其他介質(zhì)，殘余應(yīng)力雖低，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其他介質(zhì)，不滿足本研究中某汽車用7050高強(qiáng)鋁合金屈服強(qiáng)度大于455MPa和抗拉強(qiáng)度大于510MPa的性能要求。分析不同濃度的PAG淬火介質(zhì)試樣性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PAG濃度大于5%后，淬火殘余應(yīng)力快速下降，但強(qiáng)度下降不多。綜合某汽車用7050高強(qiáng)鋁合金對強(qiáng)度的要求，淬火介質(zhì)選用PAG聚合物溶液，且其濃度調(diào)制在10%～20%。
3 結(jié)論
1）淬火介質(zhì)對某汽車用7050 鋁合金試樣第二相、殘余應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有較大影響，淬火后第二相粒子大部分沿晶界析出，主要有η相（MgZn2）、S相（Al2CuMg）和Al17Cu2Fe）和Al17Cu2相。
2）隨著PAG淬火劑濃度的增加（0%～30%），該7050鋁合金試樣第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，殘余應(yīng)力大幅下降，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低。
3）當(dāng)PAG聚合物濃度在10%～20%時，7050鋁合金淬火試樣具有較低的殘余應(yīng)力和滿足使用要求的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度為512～519MPa，屈服強(qiáng)度為472~478MPa，能夠滿足汽車用7075鋁合金抗拉強(qiáng)度大于510MPa、屈服強(qiáng)度大于455MPa的力學(xué)性能要求。
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