2014鋁合金擠壓棒材表面氣泡分析

周京輝，蔣春麗，陳宜釗，李 明

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，佛山528133）

0 前言

2014 鋁合金是典型的可熱處理強(qiáng)化的硬鋁合金，其擠壓棒材具有較高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。我公司擠壓的2014 鋁合金棒材，在立式淬火爐淬火后表面出現(xiàn)大量的直徑為1～5 mm 的氣泡，且氣泡尾端大而密，頭部氣泡小，中間基本沒有，該類缺陷嚴(yán)重影響到了棒材的質(zhì)量，需亟待解決。

王鳳春[1]將2A14鋁合金擠壓棒材氣泡分為夾雜氣泡、擠壓分層氣泡和氣體通透性氣泡三類，且認(rèn)為夾雜氣泡占大多數(shù)。劉俊生[2]等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2024 棒材表面氣泡屬于通透性氣泡，通過降低鑄錠氫含量、保證熱處理時(shí)氣氛干燥能有效避免氣泡的產(chǎn)生。彭自業(yè)[3]等人認(rèn)為7075棒材后續(xù)固溶處理不當(dāng)會(huì)促使表面成層缺陷處產(chǎn)生氣泡。劉建生[4]等研究發(fā)現(xiàn)6×××系鋁合金擠壓棒材氣泡內(nèi)部成分含有C、O 元素，認(rèn)為氣泡是由石墨、油污、含碳有機(jī)物等分解所產(chǎn)生的。

本文從鑄錠熔鑄、模具結(jié)構(gòu)、擠壓生產(chǎn)工藝以及固溶處理這4個(gè)方面分析了產(chǎn)生表面氣泡的影響因素，提出減少和避免2014 鋁合金擠壓棒材產(chǎn)品表面氣泡的措施，以期減少報(bào)廢，降低生產(chǎn)成本。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

圖1為我公司正向1800 t擠壓機(jī)擠壓的2014鋁合金?38 mm擠壓棒材。從圖中可以看出固溶處理后表面出現(xiàn)氣泡并沿?cái)D壓方向不連續(xù)分布，尾部分布多，且直徑大。從棒材橫截面可以發(fā)現(xiàn)氣泡為皮下隆起的空腔。

圖1 棒材表面氣泡（箭頭為擠壓方向）

對影響表面氣泡形成的四大因素的分析按單因素分別進(jìn)行，即采用不同氫含量、表面有及無油污鑄棒分析鑄錠因素；采用是否對鑄錠剝皮、不同鐓粗壓力、不同壓余厚度來分析擠壓工藝因素；采用不同的導(dǎo)流孔來分析模具因素；采用不同固溶溫度、是否烘爐來分析固溶因素。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察棒材顯微組織，采用能譜儀檢測氣泡處微區(qū)成分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 棒材的低倍組織與金相顯微組織

棒材的低倍組織和金相顯微組織見圖2。從圖中可以看出，棒材橫截面晶粒細(xì)小，表層有個(gè)別粗大晶粒，并未連續(xù)形成粗晶環(huán)，故排除因粗晶環(huán)層破裂產(chǎn)生裂紋引起氣泡缺陷。圖2（b）中在距表層厚度約0.15 mm處出現(xiàn)黑色環(huán)帶（處于兩條白色線之間），這個(gè)區(qū)域與SEM檢測到的粗大第二相及雜質(zhì)相的聚集環(huán)一致，由這些粗大第二相及雜質(zhì)相腐蝕形成。該區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)相正是氣泡形成的物質(zhì)來源。

圖2 棒材組織圖

2.2 表面氣泡的SEM組織與EDS分析

棒材表面氣泡的SEM組織見圖3。從圖中可以看出，表面氣泡的空腔是在棒材內(nèi)部產(chǎn)生的，在距表層厚度約為0.15 mm處第二相及雜質(zhì)相聚集形成環(huán)帶，環(huán)帶寬度約為0.1 mm，同時(shí)內(nèi)部還存在大量空隙，這些空隙也是由于固溶處理過程中氣體析出所造成的。從圖4 能譜分析結(jié)果可以檢驗(yàn)到C、O元素，故而判斷該氣泡是由于棒材內(nèi)存在石墨、油污、含C有機(jī)物分解而產(chǎn)生的。

圖3 表面氣泡的SEM組織

圖4 EDS分析數(shù)據(jù)

2.3 鑄錠的影響

試驗(yàn)對比表明，從鑄錠影響角度而言，表面油污是導(dǎo)致擠壓棒材表面產(chǎn)生氣泡的重要原因。鑄錠表面油污若未清除而直接用于擠壓，油污會(huì)在高溫環(huán)境下發(fā)生分解，從而在棒材表面產(chǎn)生氣泡。因在高溫下易析氫形成氣泡，故而氫含量增加，氣泡等級(jí)也增大。

2.4 擠壓工藝的影響

鑄錠剝皮、加大鐓粗壓力以及增加壓余厚度都可以減少氣泡的產(chǎn)生。這是因?yàn)椋T錠剝皮可以去掉鑄錠表面的油污、偏析瘤、氧化物；加大墩粗壓力可以減少擠壓筒內(nèi)的空氣；增加壓余厚度可以減少鑄錠表面雜質(zhì)進(jìn)入模具死區(qū)。這些措施都有利于減少氣泡的來源。

2.5 模具結(jié)構(gòu)的影響

通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，采用小導(dǎo)流孔的模具結(jié)構(gòu)比采用大導(dǎo)流孔的模具結(jié)構(gòu)更能減少氣泡的產(chǎn)生，而帶防倒槽的小導(dǎo)流孔模具結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步使棒材表面無明顯氣泡。這是因?yàn)閷?dǎo)流孔的存在會(huì)與擠壓筒內(nèi)壁構(gòu)成的拐角處形成金屬死區(qū)，而小導(dǎo)流孔死區(qū)大，死區(qū)的存在會(huì)阻擋擠壓筒內(nèi)未排出的氣體、鑄錠表面氧化物、油污等臟物通過模具進(jìn)入棒材表層。而帶防倒槽的小導(dǎo)流孔的作用是在上一棒擠壓完成且剪掉壓余后，端面能夠平整，不產(chǎn)生縫隙，從而防止空氣進(jìn)入而使下一棒的制品前端產(chǎn)生氣泡。

2.6 固溶工藝的影響

試驗(yàn)對比結(jié)果表明，固溶溫度越高，氣泡嚴(yán)重程度增加。而固溶前，對立式淬火爐先烘爐再關(guān)爐門，以減少爐內(nèi)水蒸氣，這樣可以降低氣泡嚴(yán)重程度。這是因?yàn)闇囟仍礁撸绞羌铀倭搜趸锏葕A雜物的分解，從而產(chǎn)生氣泡；而空氣內(nèi)水蒸氣越多，高溫下水蒸氣越易與鋁發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫原子，氫原子由于活性吸附在鋁棒表面，淬火后析出氫氣在表面形成氣泡。

3 結(jié)論

（1）通過對2014鋁合金擠壓棒材表面氣泡進(jìn)行的試驗(yàn)分析判斷該氣泡屬于夾雜氣泡。

（2）減少鑄錠氫含量、清除鑄錠表面油污、對鑄錠剝皮、加大墩粗壓力、增加壓余厚度、采用小導(dǎo)流孔加防倒槽模具結(jié)構(gòu)、降低固溶溫度以及減少爐內(nèi)水蒸氣等措施均可以減少氣泡的產(chǎn)生。