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

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金屬于6xxx系列(Al-Mg-Si)鋁合金,是能夠熱處理可強化的鋁合金板材,具有中等強度和良好的焊接性能及耐腐蝕性,主要用于交通運輸和結構工程。針對大噸位生產的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運過程中造成的表面劃傷和擦傷等。鑄造缺陷主要是鑄造時產生的氣孔在擠壓時產生變形,有的融為一體形成平直的缺陷,有的還沒有融為一體,形成兩側不連續的缺陷。在鑄造過程中,混入金屬或非金屬夾雜物,夾雜物在擠壓變形過程中破碎,導致缺陷產生,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,導致雜質物在擠壓過程中卷入型材中,即在變形過程中產生夾雜[1-3]。本文以6082鋁合金擠壓型材為研究對象,其成品件產生的缺陷如圖1所示,尾部經低倍檢測后出現了肉眼可見的黑線缺陷,在該缺陷周圍出現了一圈灰黑色痕跡。

圖1 黑線缺陷Fig.1 The black line defects

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

1 試驗方法

6082鋁合金擠壓型材的化學成分分析結果詳見表1,其化學成分符合標準要求。6082鋁合金擠壓型材的具體生產流程為:熔煉→鑄造→擠壓→檢驗→淬火→拉伸矯直→定尺→檢驗→時效。采用滲透探傷進行缺陷觀測,通過著色→滲透→清洗等步驟進行滲透著色。在缺陷部位取樣,同時對表面進行磨拋處理,確保表面缺陷區域不受破壞。參考標準GB/T 3246.1—2012采用AX10型光學顯微鏡(OM)進行組織觀察,對比缺陷區域與正常區域缺陷形貌;采用SSX-550型島津掃描電子顯微鏡進行微區表面成分分析。

表1 6082鋁合金化學成分(質量分數,%)

2 試驗結果

2.1 宏觀檢驗

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紫紅色痕跡,其周圍原灰黑色痕跡位置未見紫紅色痕跡。圖2中出現的圓點是硬度檢測所致。

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,缺陷總長度約為2.95 mm,為不連續缺陷,并在該缺陷兩側出現較多不連續的黑色缺陷,與圖1橫斷面宏觀形貌一致。該缺陷與基體出現明顯的分界線。由局部放大圖可以看出在缺陷內部未出現孔洞,且呈現灰黑色,缺陷邊緣為非平滑曲面。因此,排除鑄造過程中產生氣孔及低倍試樣在加工或轉運過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)中黑色圓點為測量硬度導致。

2.3 微區成分分析

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,缺陷內有塊狀淺灰色夾雜物,缺陷附近存在條狀夾雜物,夾雜與基體不連續,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,內部存在大尺寸的灰白色夾雜物,同時周圍伴隨有少量灰色不規則形狀的第二相。

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

對白色夾雜物、灰色第二相及基體進行微區成分分析,檢測結果見表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,由此可以推測該缺陷可能為非金屬夾雜物。相關文獻表明[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。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。相關文獻表明[5-8]缺陷是粗大的含Mg、Si相,如Mg2Si、Mg5Si6、Al12Mg17和AlMg等相,或伴隨有過剩析出的Si,在合金的鑄造過程中不同形狀的粗大相顆粒極易發生聚集長大,從而形成尺寸粗大的相,而粗大的相顆粒會割裂基體,使材料引發裂紋,從而極大地惡化材料的力學性能。大塊的單質和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,擠壓時被擠碎,隨金屬流動呈非連續線性缺陷被保留下來。缺陷周圍存在粗大的含Mg、Si相,或伴隨有過剩析出的Si。

產生黑色缺陷的主要原因有:1)鑄造時投入清潔度較低的原輔材料或使用了大量殘料,利用率過高,經腐蝕或有機物處理過的殘料,會攜帶富C、O的夾雜物進入爐內熔入到基體中;鑄造過程中,液面或爐料表面的氧化膜進入鋁液,形成團絮狀硬質點Al2O3;鑄造時爐體會產生碳化物,且澆注過程中,鋁及其合金發生氧化反應形成Al2O3;擠壓時坯料表面存在油泥(主要成分為C和O等)等非金屬物,或者擠壓筒內壁上的非金屬雜質,在擠壓過程中壓入型材制品。2)EDS分析結果表明,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境中,空氣、泥土或周圍環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,在實驗制樣中無法處理干凈,導致的結果干擾;而實際缺陷為來源于鑄造時聚集長大的粗大含Mg、Si相,同時Si在熔鑄過程中以Mg2Si或Si的過飽和固溶體形式存在于基體中,最后在擠壓過程中粗大含Mg、Si相被破碎,可能過剩的Si也會析出,呈線性分布。

因此,6082鋁合金擠壓型材表面出現黑線缺陷可能是在鑄造過程中混入金屬或非金屬夾雜物,夾雜物在擠壓變形過程中破碎,導致缺陷產生,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,導致雜質物在擠壓過程中卷入型材中,即在變形過程中產生夾雜[9-10]。要解決上述缺陷,可采取如下措施:

1)鑄造時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;加強對鑄坯質量的檢測,防止含有金屬或非金屬夾雜的鑄坯進入擠壓工序;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;保證生產設備的清潔,并合理控制潤滑劑使用量[11-12]。

2)鑄造過程中,通過變質處理和成分過冷等方法來細化含Mg、Si相,同時盡可能減少或排除外部環境和實驗本身帶來的結果誤差。

4 結論

1)6082鋁合金擠壓型材出現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,或伴隨有過剩析出的Si。

2)通過嚴格控制原材料質量,規范熔鑄和擠壓操作流程,保證試驗過程干凈衛生;消除C和O元素的引入;通過變質處理和成分過冷等方法來細化含Mg、Si相,可有效消除黑線缺陷。