Al-Mg-Si系鋁合金型材橘皮缺陷原因分析

紀圓

摘 要：文章通過組織和性能分析，探討了Al-Mg-Si系鋁合金型材在拉彎過程中橘皮現象的產生原因，確認了缺陷產生是因為晶粒尺寸不均勻性較大，導致變形不均勻，最終形成宏觀橘皮現象。改善建議包括適當增加Mn、Cr合金含量和降低拉伸矯直與預拉伸的拉伸量。

關鍵詞：6061合金;擠壓;拉彎;橘皮現象

中圖分類號：TG14 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-202-03

Cause Analysis of Orange Peel defect of Al-Mg-Si Series Aluminum Alloy profile

Ji Yuan

（ Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoning Liaoyang 111003 ）

Abstract： In this paper， through the analysis of microstructure and properties， the cause of orange peel phenomenon of Al-Mg-Si aluminum alloy profile during tension and bending is discussed， and it is confirmed that the defect is caused by the non-uniformity of grain size， which leads to non-uniform deformation， and finally forms the macroscopic orange peel phenomenon. Suggestions for improvement include properly increasing the content of Mn and Cr alloys and reducing the amount of tension during tension straightening and pre-stretching.

Keywords： Aluminum alloy; Extrusion; Pull bend; Orange peel

CLC NO.： TG14 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-202-03

引言

Al-Mg-Si系鋁合金具有良好的加工性能、焊接性能、抗腐蝕性能等特點，在交通運輸領域已得到廣泛應用[1-3]。在制備過程中，鋁合金構件經常需要彎曲變形等機加工工藝，包括折彎、拉彎、輥彎、壓彎等[4]。橘皮是制品表面產生的凹凸不平的現象，是彎曲過程中常見的一種缺陷。這種橘皮缺陷的產生嚴重影響構件的使用壽命，在橘皮嚴重的位置甚至出現縮頸，縮頸嚴重時構件會產生斷裂，這也是構件斷裂失穩的主要原因之一[5]。

近日，在實際生產用于交通產品的鋁合金構件時，發現在T4狀態下拉彎成形后鋁合金型材表面出現明顯橘皮缺陷，橘皮形貌見圖1，導致生產的成品率明顯下降。構件工藝流程為：熔鑄-均勻化處理-擠壓-拉彎成形-熱處理，為了判斷產生橘皮缺陷的原因，對缺陷制品進行顯微組織和機械性能分析并對后續生產提出改善建議。

1 試驗過程與結果

1.1 成分檢測

對出現橘皮缺陷的試樣進行成分檢測并與設定范圍對比，結果如表1所示，試樣成分完全符合標準成分范圍，排除宏觀偏析。

1.2 擠壓工藝

擠壓加工在臥式擠壓機上進行，對出現橘皮缺陷的批次的工藝參數與設定范圍和未出現橘皮現象表面光滑的批次進行對比（見表2），發現出現缺陷批次的工藝參數符合設計要求，無失控狀況發生，但相較于無缺陷批次，擠壓溫度和速度較低。

1.3 顯微組織分析

為了明確觀察出橘皮缺陷的產生原因，對無缺陷批次進行晶粒度檢測，結果見圖2，對缺陷批次的型材進行彎曲試驗，彎曲前后的晶粒度照片見圖3。由圖可知缺陷型材組織出現厚度較大的粗晶層，內外兩側均發生再結晶現象，芯部為纖維狀晶粒，兩側和芯部出現明顯晶粒不均勻現象，經軟件測量得知無缺陷型材外側粗晶層平均厚度為188μm，內側184μm，缺陷型材未彎時外側粗晶層平均厚度為365μm，內側平均厚度為350μm。經過彎曲變形后，外側的晶粒受拉應力被拉長，內側受壓應力被壓縮，測得彎曲后外側粗晶層為227μm，內側571μm。

圖4為未彎時邊部和芯部的顯微組織圖，可以看出第二相的分布較均勻，邊部芯部無明顯區別。

1.4 機械性能分析

表3為型材力學性能要求與無缺陷、缺陷批次實測性能對比，發現缺陷型材力學性能較無缺陷性能低，缺陷型材力學性能雖符合要求但屈服強度與要求基本一致，存在一定的超標風險。折彎檢測是彎曲線垂直于擠壓方向，與拉彎時方向相同，最大折彎角度符合要求，具有一定可調整空間。

2 分析與討論

根據檢測結果可知：鋁合金成分符合設計范圍并無宏觀偏析產生，橘皮現象主要出現在外側變形區域，橘皮現象產生原因可以從2個方面考慮：

（1）晶粒。合金晶粒尺寸分布不均，邊部具有粗大再結晶晶粒，芯部仍為纖維狀晶粒，在拉彎過程中較大的晶粒容易發生變形，變形量大且容易發生轉動，在晶界處形成變形累積，最終在制品表面出現凹凸不平現象即橘皮缺陷。缺陷型材粗晶層厚度幾乎為無缺陷型材的2倍，晶粒尺寸不均性更大，此為產生橘皮缺陷的主要原因。

（2）生產工藝。在擠壓加工時，擠壓制品冷卻后會進行拉伸矯直，型材發生少量拉伸變形;后續拉彎加工時，需經過預拉伸、彎曲，有時還會進行補拉，過量的總變形量也是橘皮缺陷產生的原因之一。

在材料的實際應用中，表面缺陷的產生一方面影響后續進行表面處理，另一方面嚴重影響了構件的使用壽命，所以橘皮缺陷是必須改善的問題[6]。針對上述分析，提出以下改善建議：

（1）合金成分方面，由于Mn、Cr元素的添加能夠提高合金的再結晶溫度，抑制粗大再結晶晶粒的產生[7]，因此建議適當增加Mn、Cr元素的含量，一方面能夠抑制再結晶晶粒保持纖維狀晶粒，提高合金晶粒的均勻性;另一方面能夠提高固溶強化作用，形成的析出相能夠提高彌散強化作用，進而增強合金的拉伸性能。

（2）生產工藝方面，在擠壓加工時適當的提高擠壓溫度和擠壓速度，減少再結晶的產生，因纖維狀晶粒抗變形能力較再結晶晶粒弱，所以在保證型材尺寸的前提下，適當減小拉伸矯直時的變形量，在彎曲加工時適當減少預拉伸量，防止構件出現橘皮或拉裂。

3 結論

（1）橘皮產生原因。橘皮現象主要是型材邊部粗晶層過厚，導致合金晶粒尺寸嚴重不均，在變形過程中變形量不同，進而形成橘皮缺陷;

（2）綜合組織和性能分析，建議提高合金中Mn、Cr含量，提高擠壓溫度和擠壓速度，抑制再結晶現象，提高晶粒尺寸均勻性，適當降低拉伸矯直和預拉伸的變形量，避免橘皮缺陷的產生。

參考文獻

[1] 張建新，高愛華，陳昊.合金元素對Al-Mg-Si系鋁合金組織及性能的影響[J].鑄造技術，2007，28（3）.

[2] 王安東，盈亮，申國哲，等.新型汽車用Al-Mg-Si系鋁合金烘烤硬化性能研究[J].汽車工藝與材料，2011（05）：74-77.

[3] 劉宏，趙剛，劉春明，等.6000系鋁合金組織性能的研究進展[J].機械工程材料，2004，28（6）：1-4.

[4] 于立，劉志文，李落星，等.擠壓-彎曲一體化成型鋁合金彎曲型材的質量與性能[J].機械工程材料，2012，036（007）：72-76.

[5] 王文彥，邵順裕.鋁合金擠型線上彎曲制程研究[J].鍛造，2015，24 （3）：24-31.

[6] 馬鳴圖，梅華生，路洪洲，等.鋁合金板材拉伸后的表面橘皮與其力學性能及表面粗糙度的關系[J].機械工程材料，2013，037（008）：59- 62.

[7] 孟祥軍，姜珊，謝莎，等.6082鋁合金擠壓型材折彎性能研究[J].有色金屬加工，2019，48（01）：47-50.