硬質相對6061鋁合金異型散熱型材表面質量的影響

羅 淞, 林高用 曾菊花 孫利平 , 鄒艷明 周玉雄

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 山西陽泉鋁業股份有限公司，陽泉 045003)

硬質相對6061鋁合金異型散熱型材表面質量的影響

羅 淞1,2, 林高用1, 曾菊花1, 孫利平1, 鄒艷明1, 周玉雄1

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 山西陽泉鋁業股份有限公司，陽泉 045003)

采用化學成分分析、金相分析、掃描電鏡、力學性能測試、能譜分析及 PoDFA雜質分析等技術對國產6061鋁合金異型散熱型材和進口同種優質6061鋁型材進行對比分析。結果表明：國產型材的雜質總含量為0.195 mm2/kg，明顯高于進口型材的雜質總含量(0.016 mm2/kg)，且其中存在較多的MgAl2O4尖晶石和MgO硬質雜質相，這些物相具有特殊的形態和較高的硬度，在加工過程中易劃傷模具表面而降低型材的表面質量；國產 6061鋁型材中Mg和Si元素的含量均高于進口試樣的，但由于形成了較多大塊狀、硬而脆的Fe2Si2Al9相，導致國產型材的強度雖稍高于進口型材的，但其伸長率卻大幅度下降，也影響型材的表面質量。

6061散熱鋁型材；硬質相；表面質量

鋁型材以良好的導熱性能和成形性能成為制造散熱器的重要材料[1]。作為散熱器型材，為了實現散熱器熱傳導能力的最大化，不僅要選用具有較高傳熱系數的材料，還要保證熱源與散熱器底座的緊密結合，因此，對型材的表面質量有較高的要求[2]。但是，鋁型材在生產過程中特別是擠壓過程中因為工藝的復雜性以及型材質量對工藝的敏感性而容易形成一些表面缺陷。缺陷的形成導致產品外觀質量較差，成材率下降，影響企業的經濟效益。

擠壓型材常見的表面缺陷有夾渣、劃痕、起皮、起泡、定徑帶條紋、組織條紋、停車痕和橘皮等[3?4]。國內某企業生產的 6061鋁合金異型散熱型材的表面存在較明顯的劃傷、劃痕或毛刺。導致型材表面產生劃傷、劃痕或毛刺的主要原因有兩個方面[3]：1) 模具和擠壓工藝，如模具定徑帶不光滑、擠壓筒內壁或模具上存在未清理干凈的異物、擠壓壓余或脫皮過?。?) 材料本身含有較多硬質雜質或其他硬質相，導致擠壓模具表面損傷嚴重，進而使型材粘模幾率增加。近年來，國內研究人員對這類表面質量問題進行了較多的探討。王榮濱[5]認為，產生表面劃痕的根本原因在于模具的表面狀況、工模具的裝配及擠壓筒內的異物。張金剛[6]則將表面產生劃、擦、碰傷的原因歸結于鑄錠內堅硬的金屬顆粒、模具型腔和出料軌道上較硬的夾雜物以及模具工作帶的硬度。他雖然提到鑄錠中的堅硬顆粒會使型材表面產生劃傷，但并未對其作用機理進行研究，國外也尚無相關報道。為此，本文作者研究型材中的硬質相對型材表面質量的影響。

1 實驗

本實驗的材料有兩種，分別為國內某企業生產的6061鋁合金異型散熱型材和進口的同種優質6061鋁型材。從兩種型材的同一位置取樣，通過鉆削、機械加工或線切割，將其制成用于成分分析、金相、掃描電鏡和拉伸測試的試樣，進行相應檢測。

采用IRIS Advantage 1000 ICP?AES型等離子體發射光譜儀進行成分檢測；試樣用 Keller試劑(1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)侵蝕，用PLOYMAR METⅡ型金相顯微鏡觀察合金的微觀組織；用Sirion 200場發射掃描電鏡和Gensis 60多功能電子能譜儀分別進行形貌觀察及微區成分分析；在MTS 810材料試驗機上進行力學性能測試，拉伸速率為2 mm/min。

除以上常規檢測外，采用ABB公司的PoDFA技術對雜質進行檢測，具體過程如下：提取一定量兩種型材的金屬液，將其倒入專用坩堝中；真空促使金屬流向微孔過濾器，熔體中的雜質集中在過濾器表面；待熔體基本過濾后(5 min)，將過濾器連同殘余金屬及雜質一同剪下，制成樣品，進行磨拋。樣品在光學顯微鏡下觀察，并用鋁液雜質分析儀對雜質進行定性和定量分析。

2 結果與分析

2.1 表面宏觀形貌

圖1 兩種6061鋁型材的外觀及其表面實物照片Fig.1 Physical pictures of two kinds of 6061 aluminum profiles: (a) Appearance of profiles; (b) Surface of domestic profile; (c) Surface of imported profile

圖1 所示為國內某公司生產和進口的6061鋁合金異型散熱型材表面實物照片。由圖1可見，國產6061鋁合金型材的表面明顯不光滑，存在較多的劃痕和毛刺，其表面質量較差，而進口型材的表明平整，劃痕很少，表面質量較好。

2.2 化學成分

對兩種型材分別進行成分分析，結果如表1所列。由表1可知，與進口試樣相比，國產試樣中Mg、Si、Cu和Cr等元素含量均較高，但 Mg與 Si的質量比(m(Mg)/m(Si))相近，均大于4。6061鋁合金中主要強化相Mg2Si中Mg與Si的質量比為1.73[7]，因此，兩種型材中的Mg均有較多的剩余。6061合金中Mg的存在形式有多種，除了形成Mg2Si和AlMgSi(Cu)等強化相以外，還可能因為被氧化而生成MgO和MgAl2O4等化合物[8?9]。兩種型材中剩余的Mg在熔鑄、后續加工及存放過程中都可能被氧化。國產試樣中Fe等雜質的含量控制得較好，其含量較低。

表1 兩種6061鋁型材的化學成分Table 1 Chemical compositions of two kinds of 6061 aluminum profiles (mass fraction, %)

2.3 內部雜質

對兩種6061鋁型材中雜質的檢測結果如表2所列。由表2可知，兩種試樣中的主要雜質類型都是晶粒細化劑、(Ti, V)B2、鎂化合物(MgO、MgAl2O4立方晶和尖晶石)以及一些可能存在的氯化物。國產試樣中雜質含量較高，為0.195 mm2/kg；而進口試樣較純凈，其雜質含量僅為0.016 mm2/kg。圖2所示為兩種型材雜質分析試樣的金相組織。由圖2可看出，國產試樣中雜質含量較高，主要有鎂化合物、晶粒細化劑以及(Ti,V)B2；而進口試樣較純凈，只含有少量的氯化物和晶粒細化劑。

(Ti, V)B2是在熔煉過程中對熔體進行硼化處理時形成的細小產物，對材料的表面質量影響較小。MgAl2O4是Mg在高溫重熔過程中與空氣接觸而形成的化合物。MgAl2O4雜質的硬度很高[9]，當其以尖晶石形態存在時，對材料的表面質量影響較大，而以立方晶形態存在時，則影響較小。MgO是Mg與空氣接觸而形成的化合物，其硬度也較高[9]，但尺寸很小，然而，當其聚集成塊時，由于也是在型材內部以尖晶石形態存在或存在于型材表面氧化薄膜中，因而也影響材料的加工性能和表面質量。雜質中的氯化物大多是用氯氣或者氯鹽作為除氣、除渣的精煉劑時帶入的。氯化物通常較軟，對一般型材產品的表面質量無有害影響。

金屬在擠壓過程中發生較大程度的變形，導致大部分金屬在流出模口時形成型材的表面。原擠壓鑄錠內部的雜質相也隨著基體金屬的流動而流入型材表面。若基體中存在體積較大的硬質相，則其會劃傷模具的工作帶，導致工作帶的內表面變得粗糙。粗糙的工作帶不僅會劃傷型材的表面，而且會使粘鋁現象加劇。粘在工作帶上的鋁若未及時清理，會進一步劃傷型材表面，嚴重時還會在型材的表面沿擠壓方向留下一道道凹槽。由表2可知，國產試樣內部存在較多的MgAl2O4尖晶石和 MgO硬質雜質相。這些硬質雜質相具有特殊的形態和較高的硬度，導致其在擠壓過程中易劃傷模具工作帶，進而影響型材的表面質量。

2.4 組織分析

圖 3所示為國產和進口兩種型材的背散射電子像。由圖 3(a)可知，國產試樣中除基體外，有兩種很明顯的特征相，如A和B點所示。此外，國產試樣中還有少量呈彌散分布的細小顆粒物相。由于這些相面積太小，在能譜儀上難以精確捕捉。由圖3(b)可知，進口試樣中主要有大塊狀白色相和呈細小彌散分布的灰白色相，如D和C點所示。對A、B、C和D點進行能譜分析，其結果如表3所列。根據元素的摩爾比，同時參考文獻[10?11]發現，除基體外，國產試樣中的主要特征相是大塊狀的Fe2Si2Al9相和小塊狀的Mg2Si相，而進口試樣中主要有小塊狀Fe2Si2Al9相和呈細小彌散分布、以MgCl2為代表的氯化物相。

表2 兩種6061鋁型材的雜質分析結果Table 2 Results of inclusion analysis of two kinds of 6061 aluminum profiles

圖2 鋁液雜質分析試樣的微觀組織Fig.2 Microstructures of samples of aluminum liquid for inclusion analysis: (a), (b) Domestic sample; (c), (d) Imported sample

圖3 兩種6061鋁型材的背散射電子像(未腐蝕)Fig.3 BSEM images of two kinds of 6061 aluminum profiles (without corrosion): (a) Domestic sample; (b) Imported sample

對兩種試樣進行比較發現，兩種試樣中都存在塊狀Fe2Si2Al9相，但是國產試樣中Fe2Si2Al9相的數量更多、更粗大，且不均勻。文獻[10]結果顯示，當6000系合金中Si含量高于Fe含量時，會生成針狀Fe2Si2Al9相。該針狀相硬而脆，顯微硬度高達578 HV，在加工過程中容易破碎成塊狀。塊狀Fe2Si2Al9雖然能夠提高型材的抗拉強度和硬度，但由于該相質點粗大，且很硬，位錯不易切割，因此，降低了合金的擠壓性能，且容易拉傷或劃傷型材表面以及模具的工作帶，在變形中還易成為裂紋源，降低合金的斷裂韌性[11?12]。因此，國產試樣中存在較多粗大且分布不均勻的Fe2Si2Al9硬質相也是造成國產型材表面質量不佳的重要原因。

表3 圖3所示特征點的能譜分析結果Table 3 Energy spectrum analysis results of characteristic locations in Fig.3

圖4所示為兩種型材的金相組織。由圖4可看出，兩種型材中都存在較明顯的相脫落，根據文獻[13?15]，可判斷其為Mg2Si相。結合圖3所示型材的背散射電子像可知，Fe2Si2Al9相的面積比Mg2Si相的大，由此可判斷，圖4所示的粗大圓狀相為Fe2Si2Al9相。對兩種試樣進行比較發現，國產試樣中的Fe2Si2Al9相更多、更粗大，且分布不均勻，這和掃描電鏡分析得到的結果是一致的。

圖4 兩種6061鋁型材的金相組織Fig.4 Metallographic structures of two kinds of 6061 aluminum profiles: (a) Domestic sample; (b) Imported sample

2.5 力學性能

對兩種型材分別進行室溫力學性能測試，結果如表4所列。由表4可知，與進口試樣相比，國產試樣抗拉強度的增幅小于10%，而伸長率的降低幅度卻大于20%。這是因為國產試樣中合金元素的含量較高，合金元素之間及其與雜質之間形成的強化相提高了材料的抗拉強度，但是，這些強化相中部分相硬而脆，且較粗大，如Fe2Si2Al9相等，在變形過程中容易成為裂紋源，從而能大幅度降低型材的塑性。

表4 兩種6061鋁型材的室溫力學性能Table 4 Mechanical properties of two kinds of 6061 aluminum profiles at room temperature

3 結論

1) 國產試樣中雜質的總含量(0.195 mm2/kg)高于進口試樣的(0.016 mm2/kg)。兩種試樣中的主要雜質類型均為晶粒細化劑、鎂化合物(MgO、MgAl2O4立方晶和尖晶石)以及氯化物，但國產試樣中存在較多的MgAl2O4尖晶石和 MgO硬質雜質相，這些硬質雜質相具有特殊的形態和較高的硬度，在加工過程中易劃傷模具工作帶而降低型材的表面質量。

2) 國產6061鋁型材中的合金元素Mg和Si的含量高于進口試樣的，但由于形成了較多大塊狀、硬而脆的Fe2Si2Al9相，因此，國產型材的強度雖稍高于進口型材的，但伸長率卻較大幅度地下降，也影響型材的表面質量。

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Effect of hard phases on surface quality of 6061 special-shaped radiator aluminum profile

LUO Song1,2, LIN Gao-yong1, ZENG Ju-hua1, SUN Li-ping1, ZOU Yan-ming1, ZHOU Yu-xiong1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Shanxi Yangquan Aluminium Industry Co., Ltd, Yangquan 045003, China)

Contrastive analyses of two kinds of 6061 special-shaped radiator aluminum profiles produced at home and abroad were done by composition analyses, OM, SEM, mechanical tests, energy spectrum analyses and PoDFA inclusion analyses. The results show that the inclusion concentration of the domestic profile is 0.195 mm2/kg, which is obviously higher than that of the imported one (0.016 mm2/kg). There are more spinel MgAl2O4and MgO inclusions with special shapes and high hardness in the domestic profile, which can scratch the surface of molds and worsen the surface quality of profiles. With higher contents of Mg and Si, the strength of the domestic profile is slightly higher than that of the imported one. However, due to the formation of massive, hard and brittle Fe2Si2Al9phases, its elongation is much lower than that of the imported one, and its surface quality is also affected.

6061 radiator aluminum profile; hard phases; surface quality

TB31

A

1004-0609(2011)07-1521-06

國家“十一五”科技支撐計劃項目資助(2007BAE38BO4)

2010-06-18；

2010-09-19

林高用，教授，博士；電話：13507422779；E-mail: gylin6609@yahoo.com.cn

(編輯 陳衛萍)