4004鋁合金板材表面小裂紋產(chǎn)生原因分析

雷金琴，孫黎明，呂 丹，韓 穎，殷云霞

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

4004鋁合金板材表面小裂紋產(chǎn)生原因分析

雷金琴，孫黎明，呂 丹，韓 穎，殷云霞

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

通過顯微組織觀察、掃描電鏡觀察及能譜分析對(duì)4004鋁合金板材出現(xiàn)表面小裂紋的本質(zhì)及形成原因進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明，由于鑄錠內(nèi)部組織中存在氧化夾雜物，在板材軋制過程中形成夾雜分層，導(dǎo)致加工變形時(shí)因應(yīng)力集中而開裂。

4004鋁合金；板材；裂紋；夾雜分層

0　前言

4004鋁合金作為434復(fù)合鋁帶箔的包覆層，被廣泛用于汽車、空調(diào)機(jī)、制氧機(jī)等散熱器的制造。在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)軋制后的4004合金板材表面出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，為了解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在的問題，提高板材成品率，針對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因和機(jī)理開展試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用料為規(guī)格300mm×1500mm×3000mm的鑄錠在工業(yè)化條件下生產(chǎn)的74mm厚熱軋態(tài)4004合金板材，板材總加工率為75.3%。在帶有裂紋的板材上切取金相試樣，研磨并觀察板材表面裂紋的正面和側(cè)面。為了進(jìn)一步研究裂紋產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了掃描電鏡、能譜試驗(yàn)分析。

2　組織觀察及分析

2.1表面裂紋側(cè)面顯微組織觀察

在有表面裂紋的高倍試樣上選擇一處比較明顯的裂紋，對(duì)其側(cè)面進(jìn)行研磨、拋光、酸蝕，利用金相顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察分析，其組織照片如圖1所示。從圖1的顯微組織中，可以看出裂紋由板材表面延伸至內(nèi)部，并與板材表面成一定角度，隨著裂紋的深入，在主裂紋的邊緣出現(xiàn)了細(xì)小的二次裂紋，且裂紋處存在與基體組織界面分明的塊狀物。

圖1　板材表面裂紋側(cè)面的高倍組織

2.2表面裂紋正面顯微組織觀察

為了排除裂紋內(nèi)存在塊狀物的偶然性，對(duì)表面裂紋的正面進(jìn)行了研磨、拋光。試樣制備過程中，輕磨表面從而使板材原始表面的裂紋得以保留。利用金相顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察分析，其組織照片如圖2所示。由圖2可以看出，沿軋制方向彌散分布著細(xì)小均勻的第二相，且塊狀的初生相沿軋制方向被拉長；同時(shí)板材表面出現(xiàn)的裂紋，無論是明顯的大裂紋還是較為細(xì)小的裂紋，在裂紋內(nèi)部或兩側(cè)均有大量的尺寸大小不等的塊狀物存在，且裂紋的擴(kuò)展方向與軋制方向呈一定角度。

圖2　板材表面裂紋正面的高倍組織

2.3能譜分析

為了進(jìn)一步分析裂紋處的塊狀物，對(duì)試樣進(jìn)行了掃描電鏡組織觀察。觀察結(jié)果表明裂紋位置存在不規(guī)則的、尺寸大小不等的灰色、亮白色的塊狀物，其電鏡掃描形貌、能譜分析如圖3所示。由能譜分析結(jié)果可以看出，灰色的1#塊狀相主要含有Fe、O元素，為鐵的氧化物；2#相為破碎的基體組織；3#相主要含有Fe、Si、C、O元素，為金屬、非金屬的復(fù)相夾雜；4#相主要含有Al、O元素，為鋁的氧化物。

圖3　試樣裂紋位置的電鏡形貌、能譜分析

3　分析和討論

3.1裂紋的性質(zhì)

板材軋制過程中，有時(shí)在平行于板材表面的位置會(huì)出現(xiàn)一處或多處裂縫，這種現(xiàn)象被稱為板材分層。板材分層分為兩大類：張嘴分層和夾雜分層。其中張嘴分層出現(xiàn)在厚度截面的中心線上，是由于熱軋時(shí)板材前后端所形成的燕尾，使上下兩層未能焊合造成的。張嘴分層的宏觀組織特征為裂紋在板材橫截面中部，平行于板材表面，通常為一條連續(xù)的平直裂紋。顯微組織特征是呈黑色、平直而且沒有任何分叉的裂縫。夾雜分層是由于鑄錠存在一處或多處的冶金缺陷，這些缺陷絕大部分不能被焊合，缺陷被軋制力壓平擴(kuò)展，在板材中形成了一定大小的開裂區(qū)域，成為板材的夾雜分層。夾雜分層在板帶的任意區(qū)域都可能出現(xiàn)。夾雜分層的宏觀組織特征是分布無規(guī)律，表現(xiàn)為基本與板材表面平行的條狀缺陷，并且裂口不連續(xù)、開裂尺寸大小不一[1]。

試驗(yàn)研究的4004合金板材表面裂紋是由板材表面延伸至內(nèi)部，并與板材表面成一定角度，隨著裂紋的深入，在主裂紋的邊緣出現(xiàn)了細(xì)小的二次裂紋，且裂紋處存在與基體組織界面分明的不規(guī)則的、尺寸大小不等的塊狀物，塊狀物經(jīng)能譜分析為金屬及非金屬的氧化夾雜物。因此，4004合金板材表面裂紋為夾雜分層。

3.2裂紋產(chǎn)生的原因

在鋁合金的鑄造過程中，氧化夾雜及氧化膜是最主要的夾雜物，它是伴隨著合金從熔化到澆鑄的過程中，由于爐料、熔劑、變質(zhì)劑和氧氣、水蒸氣等相互發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的一類非金屬（或氧化物）皮膜、片狀或分散的夾雜物。根據(jù)氧化夾雜物在熔鑄過程中形成的時(shí)間，可分為一次氧化夾雜物和二次氧化夾雜物。通常將鋁液在澆鑄前的熔化過程中所形成的氧化夾雜物稱為一次氧化夾雜物，在鑄造中分布無規(guī)律，其宏觀組織中分布著不均勻的大塊夾雜物，它使組織不連續(xù)、逐漸滲漏或成為腐蝕的根源，明顯降低合金的強(qiáng)度和塑性；二次氧化夾雜物是在澆鑄、充型過程中形成的，多分布在鑄件壁的拐角處及最后凝固的部位，其宏觀組織為彌散狀的夾雜，在低倍顯微鏡下看不到，它使鋁液的粘度增大，降低凝固時(shí)鋁液的補(bǔ)縮能力[2]。

鋁合金熔體中的夾雜物通常以塊狀、針狀、片狀等形態(tài)存在，由于夾雜物既不能固溶于金屬基體，也不能和其它元素形成金屬間化合物，只能以雜質(zhì)的形式分布于晶界或枝晶間，從而破壞了金屬基體的連續(xù)性，降低了組織間的界面結(jié)合力，嚴(yán)重地破壞了材料基體的完整性，在加工變形過程中嚴(yán)重阻礙材料塑性變形過程中的金屬流動(dòng)，同時(shí)氧化夾雜相與合金基體間容易形成微裂紋和不均勻的變形區(qū)，在應(yīng)力的作用下鋁合金材料容易產(chǎn)生脆斷[3]。合金材料中的氧化夾雜相與合金基體的過渡處容易成為材料破壞的斷裂源，加速材料的破斷過程。

試驗(yàn)中4004合金板材表面裂紋，其微觀組織和能譜分析的結(jié)果，均表明合金基體組織中存在氧化夾雜。在板材的軋制過程中，隨著變形量的增加，氧化夾雜物被拉長，最終形成夾雜分層。夾雜分層的存在嚴(yán)重阻礙材料塑性變形過程中的金屬流動(dòng)，使得板材在后續(xù)的變形過程中夾雜分層周圍基體的變形抗力降低，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致基體開裂。

4　結(jié)論

試驗(yàn)研究的4004合金熱軋態(tài)板材產(chǎn)生表面小裂紋的原因是由于合金基體組織中存在金屬、非金屬氧化夾雜，軋制過程中形成夾雜分層，導(dǎo)致加工變形時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致基體開裂。

[1]劉靜安.鋁合金型材生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)［M］.重慶：重慶國際信息咨詢中心，1994

[2]肖亞慶，謝水生.《鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社；2005，18：288

[3]周家榮.《鋁合金熔煉生產(chǎn)技術(shù)問答》[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社2008：74

（編輯：張為賓）

Cause Analysis on Little Crack of 4004 Aluminum Alloy Plate Surface

LEI Jin-qin ，SUN Li- Ming，LV Dan，HAN Ying，YIN Yun-xia
(Northeast Light Alloy Co.，Ltd.，Harbin 150060，China)

To find out the reason of cracks appeared on the 4004 aluminum alloy plate，the plate with cracks has been studied by analyzing the component and microstructure of the cracks with scanning electron microscope and spectrometer analyses. The results show that the existence of oxide inclusions in the alloy results in delamination during rolling, which further leads to crack due to stress concentration.

4004 aluminum alloy; plate; crack; inclusion delamination

TG292，TG146.21

A

1005-4898（2016）02-0057-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.12

雷金琴（1979-），女，寧夏青銅峽人，工程師。

2015-10-30