6063鋁合金擠壓型材缺陷分析

劉兆偉，孫 亮，董劉穎，李秋梅，王洪卓，周 龍

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

6063鋁合金是一種中等強(qiáng)度的可熱處理強(qiáng)化合金，具有良好的耐蝕性和氧化性[1-5]，同時(shí)還具備良好的可焊性和加工性能，目前被廣泛的應(yīng)用于建筑、幕墻、汽車等領(lǐng)域[6-8]。但由于6063鋁合金生產(chǎn)難度較小，在生產(chǎn)過程中容易發(fā)生疏漏，出現(xiàn)一些異物缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

某6063鋁合金矩形封閉型材擠出后，合金表面上出現(xiàn)沿?cái)D壓方向的撕裂狀穿透性劃傷，型材正面撕裂處末端存在黑褐色堆積物。隨著擠壓進(jìn)行，劃傷繼續(xù)產(chǎn)生，但未穿透型材，在后端20 mm處，出現(xiàn)大小不等的黑褐色物質(zhì)。本文通過對(duì)6063合金擠壓后的宏觀形貌、微觀組織、微區(qū)成分以及顯微硬度進(jìn)行分析，探明6063鋁合金型材出現(xiàn)撕裂型缺陷的原因。

1 試驗(yàn)方案

為了明確異物種類及形成原因，制定如下試驗(yàn)方案[9-11]：

1)形貌觀測(cè)，利用體式顯微鏡和掃描電鏡對(duì)黑褐色物質(zhì)進(jìn)行表面形貌觀察。

2)硬度檢測(cè)，利用顯微硬度計(jì)分別對(duì)基體、褐色物質(zhì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

3)組織觀測(cè)，在垂直于擠壓方向截取試樣并磨拋，然后使用光學(xué)顯微鏡觀察黑褐色物質(zhì)組織。

4)成分分析，使用EDS對(duì)黑褐色物質(zhì)表面及內(nèi)部進(jìn)行定性分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 形貌觀測(cè)

圖1為6063鋁合金型材撕裂狀穿透性劃傷的表面形貌圖，從圖中可以看出，沿?cái)D壓方向出現(xiàn)一條長(zhǎng)約55 mm的劃傷，型材正面撕裂處末端出現(xiàn)長(zhǎng)約7 mm的黑褐色堆積物。在鋁基體中出現(xiàn)不規(guī)則的黑褐色形狀物質(zhì)，可能是導(dǎo)致型材穿透性劃傷的主要原因。

圖2為6063鋁合金型材撕裂處的斷口宏觀形貌。從圖中可以看出，斷口大部分呈撕裂形貌，在基體與褐色物質(zhì)間存在縫隙(見圖2(a))，這說(shuō)明缺陷物質(zhì)與基體結(jié)合力較弱。將圖2(a)方框區(qū)域局部放大至50×，可以看出裂縫更為明顯，在褐色物質(zhì)心部還發(fā)現(xiàn)黃色物質(zhì)。

(a)型材外表面；(b)型材內(nèi)表面

(a)宏觀形貌；(b)局部放大形貌

圖3為6063鋁合金缺陷處的SEM形貌，從圖中可以看出，斷口較為平整，宏觀變形不明顯且無(wú)明顯韌窩(見圖3(a))。還可見斷口處存在亮色或亮灰色物質(zhì)，該物質(zhì)與基體相接處存在明顯裂縫(見圖3(b))，說(shuō)明該物質(zhì)與基體結(jié)合力弱。圖3(c)為缺陷附近正常基體近型材外表面的斷口，有明顯變形痕跡，為韌性斷口。圖3(d)為缺陷附近正常基體近型材內(nèi)表面的斷口，呈撕裂狀，呈明顯的塑性變形。由此可知，一般鋁基部位為韌性或塑性變形區(qū)，且缺陷與基體處有小裂縫存在，與基體結(jié)合較弱[12-14]。

2.2 硬度檢測(cè)

鋁基體及褐色物質(zhì)的顯微硬度結(jié)果，見表1，從表中可以看出，褐色夾雜物質(zhì)硬度明顯高于鋁基體。

(a)宏觀形貌；(b)局部放大形貌；(c)近缺陷處外表面形貌；(d)近缺陷處內(nèi)表面形貌

表1 褐色物質(zhì)及基體顯微硬度(HV)

2.3 組織觀測(cè)

圖4位基體缺陷的SEM形貌圖。從圖中可以看出，褐色缺陷物質(zhì)由大小不一的多個(gè)分散塊狀物組成，塊狀物形狀不規(guī)則且有棱角，與基體邊界清晰，有明顯的分界線或微裂紋。塊狀物與基體顏色有明顯差別，呈灰色或亮灰色。此外，塊狀物在擠壓方向未發(fā)生破碎，說(shuō)明塊狀物較硬。從形貌上分析，該塊狀物具有化合物或金屬夾雜的特征。但若為化合物，則或多或少會(huì)沿?cái)D壓方向發(fā)生破碎，而本缺陷擠壓后完整存在，說(shuō)明擠壓過程無(wú)法使其變形，這說(shuō)明塊狀物是金屬夾雜的可能性更大[15]。

(a)宏觀形貌；(b)局部放大形貌

圖5為缺陷與鋁基體交接縫隙形貌。從圖中可以看出，缺陷與鋁基體交接處可見連續(xù)裂紋或縫隙(見圖5(a))，其長(zhǎng)度大約10 μm，破壞了鋁基體的連續(xù)性，說(shuō)明缺陷與鋁基體結(jié)合力較差。

綜上分析，塊狀缺陷為質(zhì)地較硬的金屬夾雜，且與鋁基體間存在微小空隙或裂紋，破壞了基體的連續(xù)性。該塊狀物在擠壓過程中并未參與變形，可能是熔鑄過程外來(lái)高熔點(diǎn)硬質(zhì)金屬未被熔化，或擠壓出模前掉入的硬質(zhì)金屬。

2.4 EDS分析

圖6為試樣垂直于擠壓方向的EDS圖，能譜結(jié)果見表2。從圖6和表2可知，鋁基體(A)主要有Al、Mg、Si等元素組成，基體與缺陷的裂縫處(B)主要是Fe、O、C等元素組成。裂縫較寬的位置(C、D)有部分Si存在，可能為灰塵類物質(zhì)[16]。宏觀上呈褐色的塊狀缺陷(E)主要元素是Fe，存在微量O，可能為金屬鐵。附著在塊狀缺陷上的灰色物質(zhì)(F、G)，組成元素為Fe、O，可能為Fe的氧化物。由此可知，褐色缺陷主要為金屬Fe，在其邊緣處或表面位置有些微氧化痕跡。

圖7為試樣撕裂出能譜形貌圖，缺陷和鋁基體能譜分析結(jié)果，見表3。從表中可以看出，撕裂處試樣成分與拋光后試樣基本一致，但由于撕裂處試樣受到一定程度的氧化污染，因此Si、O含量稍高。

2.5 工藝溯源

針對(duì)上述分析，將型材整個(gè)生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行溯源排查：1)熔鑄過程。投料過程無(wú)異常，鑄造過程中有疑似鐵絲物質(zhì)落入鋁液中。2)擠壓過程。擠壓筒表面未發(fā)現(xiàn)劃傷，擠壓模具工作帶出現(xiàn)劃傷。

由此分析，缺陷是由于熔鑄過程引入的金屬夾雜物所造成的。

(a)宏觀形貌；(b)局部放大形貌

(a)裂紋處形貌；(b)附著物處形貌

表2 垂直于擠壓方向的缺陷試樣EDS結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖7 撕裂處EDS測(cè)試位置

表3 撕裂處EDS結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 結(jié)論

1)該擠壓制品撕裂型劃傷是由褐色異物引起的，該異物與基體邊界清晰，與基體間存在空隙或裂紋，破壞了基體的連續(xù)性。

2)該褐色物質(zhì)為有棱角的不規(guī)則塊狀晶體，為含F(xiàn)e硬質(zhì)物，可能是熔鑄過程帶入的金屬夾雜。

3)在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)加大過程監(jiān)控力度，避免異物流入制品中，造成制品不合格或設(shè)備損傷。