6082鋁合金擠壓棒材“線條”分析

周廣宇，劉旭東，劉 迪，尚 文，王寶勇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著社會的發展，人們越來越追求高品質生活，汽車已經成為現代化物流行業及提高生活質量的重要工具，而面對世界能源的日趨緊張，輕量化汽車成為該行業共同努力的目標，鋁合金作為汽車輕量化的首選材料，在汽車領域的應用逐漸提高[1，2]。其中汽車用鋁合金鍛件多選用可熱處理強化的6xxx系鋁合金，可應用在汽車散熱系統、車身、底盤等部位[3]。

6xxx鋁合金主要以Mg和Si為主要合金元素，并以Mg2Si為強化相的鋁合金，具有中等強度、耐腐蝕性高、焊接性能好的諸多優點[3-5]。6082合金就是典型的可熱處理6xxx系鋁合金，屬于中等強度的Al-Mg-Si系合金，具備良好的淬透性，被廣泛應用于汽車、軌道交通、建筑及工業等領域[6，7]。

我公司近期在生產汽車懸臂上承重結構件的過程中，合金經擠壓變形、離線淬火后，在棒材截面邊緣區域發現有不明“線條”存在，對于該“線條”的相關研究文獻較少。為了判斷該線條組織是否為缺陷并確定該線條能否對后期鍛造過程的表面和性能產生影響，本文以汽車懸臂上承重件所用6082合金擠壓型材為研究對象，對其在離線固溶淬火后有無線條狀區域進行力學性能檢測，來研究線條區域對合金力學性能的影響，并結合X射線熒光光譜儀、金相顯微鏡觀察研究不同區域內晶粒的形貌和尺寸、第二相的析出情況以及成分變化，分析該“線條”出現的原因，為改進合理的擠壓工藝，改善和消除該“線條”以及后續汽車產品擠壓工藝研究提供相關依據。

1 試驗材料與過程

實驗選用規格為Φ70mm的6082合金擠壓淬火棒材為主要材料，使用7500T擠壓機生產，擠壓比為43.2，擠壓后經離線淬火，其合金成分如表1所示。

表1 試驗用鋁合金的化學成分(質量分數，%)

擠壓淬火后的6082合金棒材進行宏觀低倍檢測，將試樣置于15%～25%的NaOH溶液中浸泡25min～35min，清水洗凈后置于20%～30%的HNO3酸洗，最后流水洗凈后1h內進行檢測，檢測結果發現，圖1(a)中A區域存在“線條”，宏觀放大如圖1(b)。

圖1 邊緣部位“線條”位置

將離線淬火后的棒材進行185℃×4.5h人工時效后，在 “線條”區域A和正常區域B(圖1(a))分別進行三次維氏硬度檢測后取平均值，并A、B兩區域內分別取力學試樣(圖2)，以12mm/min的拉伸速度進行室溫力學性能測試，研究“線條”組織對合金性能的影響。

圖2 室溫拉伸力學試樣

取邊緣部“線條”附近區域(圖1(b)的C區域，線條如圖中箭頭所示)作為金相組織觀察試樣，先后使用400#、800#、1500#砂紙進行研磨，選用粒度為2.5μm和0.5μm的研磨膏先后進行粗拋和精拋，最后使用10%NaOH的腐蝕液腐蝕4min。利用蔡司AX10萬能研究級倒置式材料顯微鏡觀察晶粒的形貌、尺寸以及第二相分布情況。利用SSX-550型掃描電子顯微鏡進行成分分析，研究有無“線條”區域成分的變化。

2 試驗結果

2.1 “線條”金相組織形貌

“線條”附近的金相組織如圖3所示。圖3(a)中c處線條組織，觀察可知，“線條”區域的厚度約100μm，距離外圈部位約為466.99μm。圖3(b)為第二相分布情況，a、b、c分別為近邊緣組織，近線條處組織和線條處的組織。由圖可知合金經過離線的固溶淬火后，基體中仍有大量的第二相且不同區域內第二相密度不同，a、b、c三區域第二相析出密度逐漸降低，但a、b、c處組織連續分布無分層現象。由于微觀組織中第二相分布及數量的細微差別，導致棒材截面對光線反射的不同，造成視覺宏觀觀察截面為“線條”。

圖3 邊緣部位“線條”組織和第二相分布情況

“線條”區域附近的高倍形貌如圖4所示。可以看出b、c處組織晶粒形貌明顯不同，但沒有分層和裂紋，c處晶粒呈條狀，且含有較大的第二相晶粒數量較多，為方便清晰觀察，將試樣經過陽極覆膜后，通過偏振光對偏析層附近組織進行晶粒度觀察。

圖4 邊緣部位的晶粒分布情況

綜上所述，“線條”區域可能是c處晶粒變形呈條狀所致，宏觀上呈“線條”。a、b、c三個區域中第二相密度逐漸降低，且三個區域的組織連續分布無裂紋、無分層現象不屬于缺陷。“線條”的產生可能是由于擠壓過程中金屬通過模具時流速不均，局部有摩擦熱或變形熱的區別，影響合金中第二相的固溶條件，此外，金屬流動的不均勻也會導致晶粒破碎產生不完全再結晶，組織發生變化。因此“線條”處含有較大第二相，且與其它位置相比，組織有所區別。

2.2 不同區域內的成分

對圖3中的a、b、c的三個區域分別選兩點進行SEM/EDS成分分析，具體位置如圖5所示。由圖5發現，a、b、c區域中均發現Si、Mg元素，并且三個區域內基體中Mg、Si含量相近，c區域Si含量相對較低，這可能與不同區域的第二相分布情況有關。由圖5可知，不同區域的析出相密度不同，區域c(“線條”區域)的第二相含量較a和b區域低，這與圖3(b)相符。

(a) 圖3位置a；(b) 圖3位置b；(c) 圖3位置c

2.3 “線條”組織對力學性能的影響

離線淬火后的型材經過185℃×4.5h人工時效后，利用布氏硬度計在圖1(a)中的區域A(“線條”區域)和區域B(非“線條”區域)處分別進行三次布氏硬度檢測，并在兩區域分別取力學試樣進行力學性能測試，均取其平均值，檢測結果見表2。由表2知，“線條”區域A處的布氏硬度的平均值為110HB，較無線條的正常區域B處的硬度低8HB，但均高于標準，符合要求。和硬度趨勢相同，“線條”區域A的抗拉強度和屈服強度均較正常區域的力學值低近10MPa，分別為369MP和388MP，可見該“線條”對合金的力學性能有一定的影響，但是硬度、抗拉強度、屈服強度等仍然滿足該型材的使用標準，在性能方面不影響使用。

表2 不同區域的力學性能

3 分析與討論

通過SEM/EDS成分分析可知，“線條”區域的第二相含量相對其他區域含量較少(c位置)，c位置顏色發亮可能是由于該區域析出相較少，光線在該位置形成鏡面反射，故目測會發現微細的亮線；而a、b區域因析出相多，光線在其上面產生漫反射，因此沒有c區域亮。通過金相組織觀察發現，在晶粒度方面，圖4中c位置較為細小的再結晶不充分的晶粒，將與圖4中b位置形成不同的反光效果，細小的晶粒組織晶粒取向較多，相對形成漫反射、發暗，較大的晶粒組織相對形成鏡面反射、發亮。同時，晶粒細小的組織晶界分布密集，總的晶界面積較大，在后期低倍腐蝕過程中，晶界多的組織，腐蝕更為嚴重，顏色較深。所以在圖1中的宏觀低倍出現一道有別于其它位置的較深線條。

通常情況下細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小。但本實驗中通過力學性能和硬度試驗發現，“線條”區域較正常區域較弱，這有待后續進一步研究，可能是由于實驗偏差又或者由于數據偶然性等原因造成，但現狀仍滿足力學的使用標準。此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。因此，后期深加工使用上不會有問題。

6082鋁合金是6xxx系可熱處理強化鋁合金，主要強化元素為Si、Mg元素，形成Mg2Si強化相，在擠壓過程中呈點狀彌散分布，鑄錠邊部與擠壓筒及模具接觸，摩擦力較大，變形劇烈，邊部流速慢，心部流速快。若擠壓比過大或擠壓速度過快，內、外圈金屬流動性差異將更加明顯，致使第二相分布不均勻。研究表明[8]：第二相對位錯運動有釘扎作用，擠壓過程中能夠阻礙位錯運動，形成高密度的位錯形變區，促進再結晶形核，加快再結晶的速度。但本試驗中筆者認為“線條”位置內較為細小的晶粒為在擠壓過程中存在的即將發生動態再結晶的亞晶晶粒，但是這種亞晶，有明顯晶界，組織連續，在后續的加熱過程中未形成再結晶晶粒。

4 驗證試驗

帶有“線條”狀棒材雖然在后期鍛造過程中，該組織會再次發生變形，會改善第二相分布不均勻現象，但是鍛造后的仍會在懸臂工件表面產生殘余線狀的紋路，為避免影響懸臂工件的表面美觀，改善甚至消除該“線條”組織。在擠壓過程中可以通過重新調整擠壓工藝參數和擠壓模具的結構，平衡金屬流動性差異，具體為：(1) 更換5500T的擠壓機進行試生產，降低型材的擠壓比至29.5；(2) 調整模具結構，工作帶厚度減少20%，外圈增加促流角，使內外圈金屬流速差異降低，保證內外圈金屬流動性差異減小，保證第二項分布均勻。

經上機生產驗證，改進后的棒材表面幾乎無“線條”狀組織存在(圖6)，從而根本解決了擠壓產生“線條”狀的問題。

圖6 驗證結果

5 結論

(1)該“線條”組織是擠壓過程中該區域組織動態再結晶不完全，晶粒呈條狀所致。

(2)擠壓過程中，金屬流動差異較大，第二相分布不均勻，“線條”區域第二相位錯釘扎作用較弱，是“線條”產生的根本原因。

(3)該“線條”區域與相鄰區域組織連續，不屬于缺陷，硬度、抗拉強度和屈服強度較正常區域偏低，但仍滿足使用要求。

(4)通過改善模具設備，降低擠壓比可有效改善棒材出現“線條”的問題。