3004鋁合金薄板沖壓開裂原因分析

蔣程非，溫慶紅，楊 陽，劉 鉞，龔 平

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

3004鋁合金屬于不可熱處理強(qiáng)化的Al-Mn-Mg系合金，因其具有加工流程短、耐蝕性能和沖壓性能好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于罐、殼體、罩體等產(chǎn)品的民用包裝領(lǐng)域[1-2]。該合金產(chǎn)品是目前鋁板帶中產(chǎn)量最大的單一合金，該產(chǎn)品從板材加工至成品，往往需要經(jīng)過沖壓、折彎、變薄拉深等大變形過程，因此對(duì)其成形性能有較高的要求。

某公司使用成品厚度為0.5 mm 的3004-O 鋁合金板帶，經(jīng)沖壓成型后用于制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩，但近期部分板材在沖壓過程中出現(xiàn)了開裂，具體實(shí)物圖片如圖1所示。

圖1 3004-O沖壓開裂樣品實(shí)物照片

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

對(duì)同一批次中的兩種3004-O 合金薄板樣品（沖壓開裂樣品和沖壓合格樣品）進(jìn)行全面的組織、性能對(duì)比分析。

部分組織性能分析手段及其方法：力學(xué)拉伸性能測試（GB/T 228-2002）；金相（OM）和掃描電子顯微（SEM）觀察，其試樣采用機(jī)械砂紙研磨與機(jī)械拋光，不經(jīng)腐蝕直接觀察，拉伸實(shí)驗(yàn)斷口樣品也由SEM直接觀察；電子背散射衍射圖譜（EBSD）觀察，其試樣也采用機(jī)械砂紙研磨與電解拋光，其中，電解拋光的電解液為高氯酸乙醇溶液，比例為1∶9，拋光電壓20 V，拋光時(shí)間30 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為3004鋁合金的化學(xué)成分。從表1的合格樣品與開裂樣品的成分結(jié)果中可知，兩組樣品的合金成分并未有明顯的差別，所有成分均在該合金的成分控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

表1 合格與開裂樣品的化學(xué)成分比較（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖2 是合格樣品與開裂樣品的EBSD 晶粒組織照片。兩組樣品均為O 態(tài)退火的完全再結(jié)晶組織，其中合格樣品的平均晶粒尺寸為9.5 μm，開裂樣品的平均晶粒尺寸為9.9 μm；合格樣品中立方織構(gòu)占比2.99%，β 取向線織構(gòu)總占比14.1%；開裂樣品中立方織構(gòu)占比2.96%，β 取向線織構(gòu)總占比12.9%。晶粒尺寸和織構(gòu)占比的差異均較小，基本可以排除是晶粒組織因素導(dǎo)致的沖壓性能波動(dòng)。

圖2 樣品的EBSD晶粒組織照片

化合物的尺寸和形貌也是影響材料成形性能的重要因素，大尺寸、長條狀化合物對(duì)材料的塑性危害較大。圖3 是開裂樣品斷口與合格樣品斷口的SEM 照片對(duì)比。由圖可見，兩者韌窩形貌基本一致，斷口也沒有發(fā)現(xiàn)大尺寸化合物。但受樣品和視場限制，SEM沒有觀察到裂紋源。為此，進(jìn)一步通過金相分析對(duì)比了合格樣品和開裂樣品的化合物分布情況。

圖3 斷口的SEM照片

圖4是合格與開裂樣品典型的金相照片，其化合物面積百分比分別為5.2%和5.4%。合格材料中的化合物大部分為灰色襯度，應(yīng)為Al6（FeMn）和α-AlFeMnSi 相[3-5]，還有少量尺寸較小的黑色襯度的顆粒，化合物最大尺寸約10 μm。開裂材料中除了灰色襯度的化合物外，還在部分視場中發(fā)現(xiàn)了大尺寸黑色襯度顆粒，尺寸超過40 μm。

圖4 合格（左）與開裂（右）樣品的金相照片

為了進(jìn)一步研究大尺寸灰色化合物的化學(xué)組成，對(duì)開裂樣品進(jìn)行SEM 觀察與能譜分析，其結(jié)果如圖5所示。觀察可見，黑色的化合物在掃描電鏡二次電子像中呈白色，嵌入在鋁基體中，但與基體周邊有裂紋。能譜分析（表2）顯示這些相含有大量Al元素和O元素，質(zhì)量比例接近1∶1，因此可以判斷該化合物為Al2O3。

圖5 開裂樣品化合物的SEM照片

表2 圖5中的能譜取點(diǎn)分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表3是合格與開裂樣品的力學(xué)拉伸性能，每組樣品在相鄰位置取2個(gè)平行樣品制作拉伸試樣。從表3的結(jié)果可知，合格樣品的強(qiáng)度低于開裂樣品約4~5 MPa，應(yīng)為樣品間的正常波動(dòng)。伸長率方面，合格料的伸長率均為20%，而開裂樣品中有一個(gè)伸長率偏低，僅有18.5%。伸長率是表征材料成型性能的重要指標(biāo)，較低的伸長率可能是導(dǎo)致材料發(fā)生偶發(fā)性開裂的重要因素。

表3 合格與開裂樣品的力學(xué)性能比較

為了進(jìn)一步研究伸長率的降低是否與Al2O3夾雜有關(guān)，對(duì)開裂-1 拉伸樣品靠近斷口部位的材料進(jìn)行金相觀察。

圖6是伸長率明顯偏低的開裂-1 樣品靠近斷口位置的金相照片。從圖6中可以看出，多個(gè)視場內(nèi)均出現(xiàn)了黑色的大尺寸化合物，結(jié)合上文的能譜分析結(jié)果可知，這些黑色大尺寸化合物應(yīng)為Al2O3夾雜，且部分夾雜尺寸甚至超過了100 μm。

圖6 開裂-1拉伸樣品靠近斷口位置的金相照片

3 分析與討論

檢測分析表明，3004 合金沖壓成型的合格料與開裂料的晶粒組織較為接近。3004-O 狀態(tài)的加工工藝為熱軋、冷軋、成品退火。其中成品退火的溫度達(dá)到了350 ℃，超過了3004-O 合金的再結(jié)晶溫度，因此能夠完成材料的完全再結(jié)晶。在此情況下，合格樣品與開裂樣品的平均晶粒尺寸均在9.5~10 μm之間，差別不明顯。這是因?yàn)槎叩暮辖鸪煞窒嘟壹庸すに囅嗤虼似鋬?nèi)含有的大量微米尺度的金屬間化合物的種類、尺寸、占比也相近，即金相照片中灰色襯度的Al6（FeMn）和α-Al-FeMnSi 相。尺寸在2 μm 以上的化合物顆粒能夠在再結(jié)晶過程中產(chǎn)生顆粒誘導(dǎo)再結(jié)晶（PSN）效果，成為再結(jié)晶的形核源，所以其對(duì)再結(jié)晶的促進(jìn)效果也相近。合金織構(gòu)方面，PSN機(jī)制誘發(fā)的再結(jié)晶晶粒取向是隨機(jī)的，因此這兩種樣品并未在織構(gòu)取向上體現(xiàn)出明顯差異。故相近的晶粒組織不是材料沖壓開裂問題的組織因素。

合格樣品與開裂樣品的主要組織差別體現(xiàn)在是否存在黑色襯度的大尺寸Al2O3夾雜上。該夾雜在伸長率低的沖壓開裂樣品中大量出現(xiàn)，說明其與材料的沖壓性能和伸長率有明顯的相關(guān)性。SEM照片中發(fā)現(xiàn)其與基體之間存在明顯的裂紋與縫隙。有文獻(xiàn)[6-7]認(rèn)為大尺寸的Al2O3夾雜為脆性相，與基體結(jié)合不牢，極容易在變形過程中發(fā)生斷裂，并與基體脫開，產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而誘發(fā)樣品斷裂及沖壓開裂。Al2O3一般來源于鋁合金熔煉過程中，是鋁液表面與空氣接觸，產(chǎn)生氧化所致。熔煉過程中，鋁液表面的Al2O3通過扒渣去除，少量進(jìn)入熔體中的Al2O3則需要通過熔體過濾去除。此外，在半連續(xù)鑄造過程中，流槽及液面的不穩(wěn)定、擾動(dòng)也會(huì)造成部分Al2O3被卷入熔體中，并在鑄造過程中形成夾雜。而這種Al2O3夾雜的分布一般都呈現(xiàn)出不規(guī)則團(tuán)聚型分布的特點(diǎn)。因此，材料的沖壓開裂呈現(xiàn)出偶發(fā)的特征，沖壓開裂樣品的伸長率呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)。在沖壓開裂樣品的金相組織內(nèi)以及低伸長率樣品斷口附近，能夠觀察到大量的大尺寸Al2O3夾雜。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本可以推斷，造成此次3004-O 材料偶發(fā)性沖壓開裂的原因是合金內(nèi)出現(xiàn)了偶發(fā)性Al2O3夾雜缺陷。夾雜易與鋁基體發(fā)生脫離，產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致材料在該處變形時(shí)容易發(fā)生開裂。

為了去除上述材料中的Al2O3夾雜缺陷，提出的改進(jìn)方式有：在熔鑄階段增加扒渣次數(shù)和扒渣強(qiáng)度，減少表面Al2O3進(jìn)入鋁液內(nèi)的量；加強(qiáng)過濾，增加過濾板層數(shù)，更換更細(xì)密的過濾板，提高過濾強(qiáng)度；適當(dāng)降低鑄造速度，穩(wěn)定流槽與結(jié)晶器頂端的液面，減少Al2O3夾雜卷入鑄錠內(nèi)的概率。采取以上改進(jìn)措施后，該3004-O 產(chǎn)品的沖壓開裂與伸長率波動(dòng)缺陷得到明顯改善。

4 結(jié)論

（1）3004-O沖壓合格與沖壓開裂樣品均為完全再結(jié)晶組織，其平均晶粒尺寸為9.5~10 μm，晶粒組織差異不明顯。

（2）開裂樣品存在伸長率波動(dòng)，其內(nèi)部存在較多大尺寸Al2O3夾雜；該夾雜是導(dǎo)致合金薄板沖制開裂、伸長率波動(dòng)的組織因素。

（3）減少Al2O3夾雜在合金中的含量是解決3004-O產(chǎn)品沖壓開裂問題的有效途徑。