6082鋁合金擠壓型材黑線缺陷分析

李秋梅,謝方亮,劉兆偉,董劉穎,張 偉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

6082鋁合金屬于6xxx系列(Al-Mg-Si)鋁合金,是能夠熱處理可強(qiáng)化的鋁合金板材,具有中等強(qiáng)度和良好的焊接性能及耐腐蝕性,主要用于交通運(yùn)輸和結(jié)構(gòu)工程。針對(duì)大噸位生產(chǎn)的6082鋁合金擠壓型材,缺陷形式主要有表面缺陷、鑄造缺陷或擠壓缺陷。表面缺陷是低倍試樣在加工或轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中造成的表面劃傷和擦傷等。鑄造缺陷主要是鑄造時(shí)產(chǎn)生的氣孔在擠壓時(shí)產(chǎn)生變形,有的融為一體形成平直的缺陷,有的還沒(méi)有融為一體,形成兩側(cè)不連續(xù)的缺陷。在鑄造過(guò)程中,混入金屬或非金屬夾雜物,夾雜物在擠壓變形過(guò)程中破碎,導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生,即變形前存在夾雜物。擠壓缺陷是殘料留的太少或擠壓工具表面有油污等臟污,導(dǎo)致雜質(zhì)物在擠壓過(guò)程中卷入型材中,即在變形過(guò)程中產(chǎn)生夾雜[1-3]。本文以6082鋁合金擠壓型材為研究對(duì)象,其成品件產(chǎn)生的缺陷如圖1所示,尾部經(jīng)低倍檢測(cè)后出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的黑線缺陷,在該缺陷周圍出現(xiàn)了一圈灰黑色痕跡。

圖1 黑線缺陷Fig.1 The black line defects

本文主要針對(duì)上述缺陷進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、微觀組織觀察及微區(qū)表面成分分析,找到缺陷產(chǎn)生的原因,并提出解決黑線缺陷的措施。

1 試驗(yàn)方法

6082鋁合金擠壓型材的化學(xué)成分分析結(jié)果詳見(jiàn)表1,其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。6082鋁合金擠壓型材的具體生產(chǎn)流程為:熔煉→鑄造→擠壓→檢驗(yàn)→淬火→拉伸矯直→定尺→檢驗(yàn)→時(shí)效。采用滲透探傷進(jìn)行缺陷觀測(cè),通過(guò)著色→滲透→清洗等步驟進(jìn)行滲透著色。在缺陷部位取樣,同時(shí)對(duì)表面進(jìn)行磨拋處理,確保表面缺陷區(qū)域不受破壞。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3246.1—2012采用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行組織觀察,對(duì)比缺陷區(qū)域與正常區(qū)域缺陷形貌;采用SSX-550型島津掃描電子顯微鏡進(jìn)行微區(qū)表面成分分析。

表1 6082鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀檢驗(yàn)

圖2為滲透探傷后試樣的宏觀形貌,清洗后僅平直缺陷位置出現(xiàn)紫紅色痕跡,其周圍原灰黑色痕跡位置未見(jiàn)紫紅色痕跡。圖2中出現(xiàn)的圓點(diǎn)是硬度檢測(cè)所致。

圖2 滲透探傷后試樣形貌Fig.2 Morphology of the sample after penetrant testing

3.2 微觀組織觀察

圖3(a)為試樣橫向金相組織,圖3(b)、3(c)和3(d)分別為圖3(a)中1#、2#和3#位置的局部放大圖。由圖3可知,缺陷總長(zhǎng)度約為2.95 mm,為不連續(xù)缺陷,并在該缺陷兩側(cè)出現(xiàn)較多不連續(xù)的黑色缺陷,與圖1橫斷面宏觀形貌一致。該缺陷與基體出現(xiàn)明顯的分界線。由局部放大圖可以看出在缺陷內(nèi)部未出現(xiàn)孔洞,且呈現(xiàn)灰黑色,缺陷邊緣為非平滑曲面。因此,排除鑄造過(guò)程中產(chǎn)生氣孔及低倍試樣在加工或轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中造成的表面劃傷和擦傷等原因。

(a)試樣橫向;(b)1#位置;(c)2#位置;(d)3#位置

圖3(a)中黑色圓點(diǎn)為測(cè)量硬度導(dǎo)致。

2.3 微區(qū)成分分析

采用掃描電子顯微鏡觀察試樣缺陷位置的SEM形貌,如圖4所示。由圖4可知,缺陷內(nèi)有塊狀淺灰色夾雜物,缺陷附近存在條狀?yuàn)A雜物,夾雜與基體不連續(xù),形成微小縫隙。此外,夾雜在變形作用下有破碎痕跡。可觀察到線條狀缺陷與基體不連續(xù),內(nèi)部存在大尺寸的灰白色夾雜物,同時(shí)周圍伴隨有少量灰色不規(guī)則形狀的第二相。

圖4 試樣SEM形貌及微區(qū)成分分析位置Fig.4 SEM morphology and micro area composition analysis position of the sample

對(duì)白色夾雜物、灰色第二相及基體進(jìn)行微區(qū)成分分析,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,C和F位置為6082鋁合金擠壓型材的基體部位,主要由Al、Mg和Si元素組成。A和D缺陷處的夾雜主要由C、O、Al、Mg和Si等元素組成,C和O含量較高,由此可以推測(cè)該缺陷可能為非金屬夾雜物。相關(guān)文獻(xiàn)表明[4]夾雜通常是指存在于合金液相線溫度以上的任何固相或液相的外生雜質(zhì)。鋁溶體中的夾雜物有碳化物、氮化物、氧化物和氫化物等固態(tài)夾雜物以及鐵、硅、鋅和錳等金屬夾雜物,其中Al2O3占夾雜物含量的95%以上。

表2 EDS分析結(jié)果

B和E位置為第二相,與基體相比,該相中Si含量較高。相關(guān)文獻(xiàn)表明[5-8]缺陷是粗大的含Mg、Si相,如Mg2Si、Mg5Si6、Al12Mg17和AlMg等相,或伴隨有過(guò)剩析出的Si,在合金的鑄造過(guò)程中不同形狀的粗大相顆粒極易發(fā)生聚集長(zhǎng)大,從而形成尺寸粗大的相,而粗大的相顆粒會(huì)割裂基體,使材料引發(fā)裂紋,從而極大地惡化材料的力學(xué)性能。大塊的單質(zhì)和Si周圍和基體連接不緊密,容易形成裂紋源,受力不均勻,抵抗變形能力差,從而影響合金性能。因此推斷可能存在粗大的含Mg、Si相或過(guò)剩析出的Si。

3 分析與討論

上述分析表明,6082鋁合金擠壓型材表面出現(xiàn)的黑線缺陷是以Al為主的氧化物和碳化物非金屬類夾雜形式存在,擠壓時(shí)被擠碎,隨金屬流動(dòng)呈非連續(xù)線性缺陷被保留下來(lái)。缺陷周圍存在粗大的含Mg、Si相,或伴隨有過(guò)剩析出的Si。

產(chǎn)生黑色缺陷的主要原因有:1)鑄造時(shí)投入清潔度較低的原輔材料或使用了大量殘料,利用率過(guò)高,經(jīng)腐蝕或有機(jī)物處理過(guò)的殘料,會(huì)攜帶富C、O的夾雜物進(jìn)入爐內(nèi)熔入到基體中;鑄造過(guò)程中,液面或爐料表面的氧化膜進(jìn)入鋁液,形成團(tuán)絮狀硬質(zhì)點(diǎn)Al2O3;鑄造時(shí)爐體會(huì)產(chǎn)生碳化物,且澆注過(guò)程中,鋁及其合金發(fā)生氧化反應(yīng)形成Al2O3;擠壓時(shí)坯料表面存在油泥(主要成分為C和O等)等非金屬物,或者擠壓筒內(nèi)壁上的非金屬雜質(zhì),在擠壓過(guò)程中壓入型材制品。2)EDS分析結(jié)果表明,缺陷處C和O含量較高,可能是擠壓完成后制品缺陷處裸露在外部環(huán)境中,空氣、泥土或周圍環(huán)境中的碳和氧化物粘附在擠壓制品的粗大相(含Mg、Si相)凹陷處,在實(shí)驗(yàn)制樣中無(wú)法處理干凈,導(dǎo)致的結(jié)果干擾;而實(shí)際缺陷為來(lái)源于鑄造時(shí)聚集長(zhǎng)大的粗大含Mg、Si相,同時(shí)Si在熔鑄過(guò)程中以Mg2Si或Si的過(guò)飽和固溶體形式存在于基體中,最后在擠壓過(guò)程中粗大含Mg、Si相被破碎,可能過(guò)剩的Si也會(huì)析出,呈線性分布。

因此,6082鋁合金擠壓型材表面出現(xiàn)黑線缺陷可能是在鑄造過(guò)程中混入金屬或非金屬夾雜物,夾雜物在擠壓變形過(guò)程中破碎,導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生,即變形前存在夾雜物;也可能是擠壓缺陷,即殘料留的太少或擠壓工具表面有油污等臟污,導(dǎo)致雜質(zhì)物在擠壓過(guò)程中卷入型材中,即在變形過(guò)程中產(chǎn)生夾雜[9-10]。要解決上述缺陷,可采取如下措施:

1)鑄造時(shí)使用的原輔料表面的油污必須清理干凈,保證純潔度,且殘料的使用要合理;加強(qiáng)對(duì)鑄坯質(zhì)量的檢測(cè),防止含有金屬或非金屬夾雜的鑄坯進(jìn)入擠壓工序;保證坯料表面清潔度及擠壓筒壁的清潔,去除表面的油泥等非金屬異物;保證生產(chǎn)設(shè)備的清潔,并合理控制潤(rùn)滑劑使用量[11-12]。

2)鑄造過(guò)程中,通過(guò)變質(zhì)處理和成分過(guò)冷等方法來(lái)細(xì)化含Mg、Si相,同時(shí)盡可能減少或排除外部環(huán)境和實(shí)驗(yàn)本身帶來(lái)的結(jié)果誤差。

4 結(jié)論

1)6082鋁合金擠壓型材出現(xiàn)黑線缺陷的原因可能是非金屬夾雜或缺陷周圍存在粗大的含Mg、Si相,或伴隨有過(guò)剩析出的Si。

2)通過(guò)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量,規(guī)范熔鑄和擠壓操作流程,保證試驗(yàn)過(guò)程干凈衛(wèi)生;消除C和O元素的引入;通過(guò)變質(zhì)處理和成分過(guò)冷等方法來(lái)細(xì)化含Mg、Si相,可有效消除黑線缺陷。