Al-Mg-Si系鋁合金型材橘皮缺陷原因分析

紀(jì)圓

摘 要：文章通過組織和性能分析，探討了Al-Mg-Si系鋁合金型材在拉彎過程中橘皮現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，確認(rèn)了缺陷產(chǎn)生是因?yàn)榫Я３叽绮痪鶆蛐暂^大，導(dǎo)致變形不均勻，最終形成宏觀橘皮現(xiàn)象。改善建議包括適當(dāng)增加Mn、Cr合金含量和降低拉伸矯直與預(yù)拉伸的拉伸量。

關(guān)鍵詞：6061合金;擠壓;拉彎;橘皮現(xiàn)象

中圖分類號：TG14 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-202-03

Cause Analysis of Orange Peel defect of Al-Mg-Si Series Aluminum Alloy profile

Ji Yuan

（ Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoning Liaoyang 111003 ）

Abstract： In this paper， through the analysis of microstructure and properties， the cause of orange peel phenomenon of Al-Mg-Si aluminum alloy profile during tension and bending is discussed， and it is confirmed that the defect is caused by the non-uniformity of grain size， which leads to non-uniform deformation， and finally forms the macroscopic orange peel phenomenon. Suggestions for improvement include properly increasing the content of Mn and Cr alloys and reducing the amount of tension during tension straightening and pre-stretching.

Keywords： Aluminum alloy; Extrusion; Pull bend; Orange peel

CLC NO.： TG14 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-202-03

引言

Al-Mg-Si系鋁合金具有良好的加工性能、焊接性能、抗腐蝕性能等特點(diǎn)，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。在制備過程中，鋁合金構(gòu)件經(jīng)常需要彎曲變形等機(jī)加工工藝，包括折彎、拉彎、輥彎、壓彎等[4]。橘皮是制品表面產(chǎn)生的凹凸不平的現(xiàn)象，是彎曲過程中常見的一種缺陷。這種橘皮缺陷的產(chǎn)生嚴(yán)重影響構(gòu)件的使用壽命，在橘皮嚴(yán)重的位置甚至出現(xiàn)縮頸，縮頸嚴(yán)重時構(gòu)件會產(chǎn)生斷裂，這也是構(gòu)件斷裂失穩(wěn)的主要原因之一[5]。

近日，在實(shí)際生產(chǎn)用于交通產(chǎn)品的鋁合金構(gòu)件時，發(fā)現(xiàn)在T4狀態(tài)下拉彎成形后鋁合金型材表面出現(xiàn)明顯橘皮缺陷，橘皮形貌見圖1，導(dǎo)致生產(chǎn)的成品率明顯下降。構(gòu)件工藝流程為：熔鑄-均勻化處理-擠壓-拉彎成形-熱處理，為了判斷產(chǎn)生橘皮缺陷的原因，對缺陷制品進(jìn)行顯微組織和機(jī)械性能分析并對后續(xù)生產(chǎn)提出改善建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 成分檢測

對出現(xiàn)橘皮缺陷的試樣進(jìn)行成分檢測并與設(shè)定范圍對比，結(jié)果如表1所示，試樣成分完全符合標(biāo)準(zhǔn)成分范圍，排除宏觀偏析。

1.2 擠壓工藝

擠壓加工在臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行，對出現(xiàn)橘皮缺陷的批次的工藝參數(shù)與設(shè)定范圍和未出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象表面光滑的批次進(jìn)行對比（見表2），發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)缺陷批次的工藝參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，無失控狀況發(fā)生，但相較于無缺陷批次，擠壓溫度和速度較低。

1.3 顯微組織分析

為了明確觀察出橘皮缺陷的產(chǎn)生原因，對無缺陷批次進(jìn)行晶粒度檢測，結(jié)果見圖2，對缺陷批次的型材進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲前后的晶粒度照片見圖3。由圖可知缺陷型材組織出現(xiàn)厚度較大的粗晶層，內(nèi)外兩側(cè)均發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，芯部為纖維狀晶粒，兩側(cè)和芯部出現(xiàn)明顯晶粒不均勻現(xiàn)象，經(jīng)軟件測量得知無缺陷型材外側(cè)粗晶層平均厚度為188μm，內(nèi)側(cè)184μm，缺陷型材未彎時外側(cè)粗晶層平均厚度為365μm，內(nèi)側(cè)平均厚度為350μm。經(jīng)過彎曲變形后，外側(cè)的晶粒受拉應(yīng)力被拉長，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力被壓縮，測得彎曲后外側(cè)粗晶層為227μm，內(nèi)側(cè)571μm。

圖4為未彎時邊部和芯部的顯微組織圖，可以看出第二相的分布較均勻，邊部芯部無明顯區(qū)別。

1.4 機(jī)械性能分析

表3為型材力學(xué)性能要求與無缺陷、缺陷批次實(shí)測性能對比，發(fā)現(xiàn)缺陷型材力學(xué)性能較無缺陷性能低，缺陷型材力學(xué)性能雖符合要求但屈服強(qiáng)度與要求基本一致，存在一定的超標(biāo)風(fēng)險。折彎檢測是彎曲線垂直于擠壓方向，與拉彎時方向相同，最大折彎角度符合要求，具有一定可調(diào)整空間。

2 分析與討論

根據(jù)檢測結(jié)果可知：鋁合金成分符合設(shè)計(jì)范圍并無宏觀偏析產(chǎn)生，橘皮現(xiàn)象主要出現(xiàn)在外側(cè)變形區(qū)域，橘皮現(xiàn)象產(chǎn)生原因可以從2個方面考慮：

（1）晶粒。合金晶粒尺寸分布不均，邊部具有粗大再結(jié)晶晶粒，芯部仍為纖維狀晶粒，在拉彎過程中較大的晶粒容易發(fā)生變形，變形量大且容易發(fā)生轉(zhuǎn)動，在晶界處形成變形累積，最終在制品表面出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象即橘皮缺陷。缺陷型材粗晶層厚度幾乎為無缺陷型材的2倍，晶粒尺寸不均性更大，此為產(chǎn)生橘皮缺陷的主要原因。

（2）生產(chǎn)工藝。在擠壓加工時，擠壓制品冷卻后會進(jìn)行拉伸矯直，型材發(fā)生少量拉伸變形;后續(xù)拉彎加工時，需經(jīng)過預(yù)拉伸、彎曲，有時還會進(jìn)行補(bǔ)拉，過量的總變形量也是橘皮缺陷產(chǎn)生的原因之一。

在材料的實(shí)際應(yīng)用中，表面缺陷的產(chǎn)生一方面影響后續(xù)進(jìn)行表面處理，另一方面嚴(yán)重影響了構(gòu)件的使用壽命，所以橘皮缺陷是必須改善的問題[6]。針對上述分析，提出以下改善建議：

（1）合金成分方面，由于Mn、Cr元素的添加能夠提高合金的再結(jié)晶溫度，抑制粗大再結(jié)晶晶粒的產(chǎn)生[7]，因此建議適當(dāng)增加Mn、Cr元素的含量，一方面能夠抑制再結(jié)晶晶粒保持纖維狀晶粒，提高合金晶粒的均勻性;另一方面能夠提高固溶強(qiáng)化作用，形成的析出相能夠提高彌散強(qiáng)化作用，進(jìn)而增強(qiáng)合金的拉伸性能。

（2）生產(chǎn)工藝方面，在擠壓加工時適當(dāng)?shù)奶岣邤D壓溫度和擠壓速度，減少再結(jié)晶的產(chǎn)生，因纖維狀晶粒抗變形能力較再結(jié)晶晶粒弱，所以在保證型材尺寸的前提下，適當(dāng)減小拉伸矯直時的變形量，在彎曲加工時適當(dāng)減少預(yù)拉伸量，防止構(gòu)件出現(xiàn)橘皮或拉裂。

3 結(jié)論

（1）橘皮產(chǎn)生原因。橘皮現(xiàn)象主要是型材邊部粗晶層過厚，導(dǎo)致合金晶粒尺寸嚴(yán)重不均，在變形過程中變形量不同，進(jìn)而形成橘皮缺陷;

（2）綜合組織和性能分析，建議提高合金中Mn、Cr含量，提高擠壓溫度和擠壓速度，抑制再結(jié)晶現(xiàn)象，提高晶粒尺寸均勻性，適當(dāng)降低拉伸矯直和預(yù)拉伸的變形量，避免橘皮缺陷的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建新，高愛華，陳昊.合金元素對Al-Mg-Si系鋁合金組織及性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2007，28（3）.

[2] 王安東，盈亮，申國哲，等.新型汽車用Al-Mg-Si系鋁合金烘烤硬化性能研究[J].汽車工藝與材料，2011（05）：74-77.

[3] 劉宏，趙剛，劉春明，等.6000系鋁合金組織性能的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料，2004，28（6）：1-4.

[4] 于立，劉志文，李落星，等.擠壓-彎曲一體化成型鋁合金彎曲型材的質(zhì)量與性能[J].機(jī)械工程材料，2012，036（007）：72-76.

[5] 王文彥，邵順裕.鋁合金擠型線上彎曲制程研究[J].鍛造，2015，24 （3）：24-31.

[6] 馬鳴圖，梅華生，路洪洲，等.鋁合金板材拉伸后的表面橘皮與其力學(xué)性能及表面粗糙度的關(guān)系[J].機(jī)械工程材料，2013，037（008）：59- 62.

[7] 孟祥軍，姜珊，謝莎，等.6082鋁合金擠壓型材折彎性能研究[J].有色金屬加工，2019，48（01）：47-50.