6005AH鋁合金擠壓型材表面劃傷原因分析

胡宗喜，路 通，崔軍峰，辛麗霞

（1.中鋁山西新材料有限公司，山西 河津 043304；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215026）

6005AH鋁合金是一種典型的擠壓鋁合金，具有中高強(qiáng)度、耐蝕性好、易于陽(yáng)極氧化、焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在高速列車和地鐵的廂體用擠壓型材中得到廣泛應(yīng)用。目前鋁合金型材主要通過(guò)擠壓工藝獲得，然而鋁合金型材在擠壓過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些缺陷如劃、擦、碰傷、機(jī)械性能不合格、擠壓波紋及麻面等，使產(chǎn)品質(zhì)量低下、成品率降低、生產(chǎn)成本增加、效益下降最終導(dǎo)致企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力下降。因此從根源上著手解決6005AH鋁合金擠壓型材缺陷問(wèn)題是提升企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要方面。表面劃傷缺陷是6005AH鋁合金型材在擠壓過(guò)程中常見(jiàn)的一種缺陷，表面劃傷破壞了金屬內(nèi)表面的連續(xù)性，嚴(yán)重影響氧化、電泳涂漆及噴涂型材的表面美觀，降低了生產(chǎn)效率和成品率，更是高檔裝飾型材的致命缺陷。因此對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行分析是減少這種缺陷出現(xiàn)的有效手段。

本文主要通過(guò)觀察分析6005AH鋁合金擠壓型材的微觀組織，從材料本身給出了型材表面劃傷的原因，為提高擠壓型材表面質(zhì)量提供參考意見(jiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

本文所使用的實(shí)驗(yàn)材料為6005AH鋁合金擠壓型材，通過(guò)直讀光譜儀測(cè)得其主要成分如表1所示。擠壓型材由國(guó)內(nèi)某鋁業(yè)公司提供。圖1為擠壓型材樣品切片宏觀形貌，從圖中可以看出擠壓型材表面有許多連續(xù)和不連續(xù)白色劃傷。

圖1 6005AH擠壓型材樣品切片表面宏觀形貌

從型材表面取3個(gè)試樣，位置如圖2a中方框所示，分別標(biāo)記為1#試樣、2#試樣和3#試樣，如圖2b所示。 1#試樣用于樣品的成分檢測(cè)，分析6005AH的擠壓型材成分是否符合有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求；2#試樣用于制備組織觀察試樣，觀察沿?cái)D壓方向縱截面微觀組織，分析組織的晶粒尺寸、相的形貌分布，觀察組織中是否有疏松、夾渣等缺陷；3#試樣用于觀察劃傷表面，觀察劃傷表面組織，所用設(shè)備為JEOL JSM 6480型掃描電鏡。

圖2 取樣位置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 型材組織分析

擠壓型材沿?cái)D壓方向縱截面的掃描組織如下圖3所示。

圖3 型材擠壓方向縱截面掃描組織；(a) (b)低倍； (c) (d)高倍

表1 6005AH擠壓型材成分

表3 圖4中各相能譜分析結(jié)果 wt%

從圖3可看出組織中存在大量的第二相，彌散分布在基體中，尺寸細(xì)?。ù蟛糠衷?0μm以下），相形貌主要由板片狀、顆粒球狀和短棒狀構(gòu)成。為了進(jìn)一步分析各相組成，對(duì)各相進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果如表2-1所示，根據(jù)A、B、C、D、E能譜結(jié)果顯示，這些第二相中的元素Si、Fe的原子比Si/Fe接近1:1。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，6005AH合金中元素Fe屬于雜質(zhì)元素，過(guò)量的Si元素和Fe元素以及Al元素可以結(jié)合生成AlFeSi三相化合物，含F(xiàn)e相主要 為α-AlFeSi相（Al12Fe3Si）和β-AlFeSi相（Al5FeSi），一般的，當(dāng)Si含量大于Fe時(shí)，形成β-AlFeSi相，當(dāng)Si含量小于Fe時(shí)，形成α-AlFeSi相[1,2]。可以推斷實(shí)驗(yàn)用合金組織中的相主要有β-AlFeSi相組成，β-AlFeSi相在鑄態(tài)鋁合金中一般以片狀形式存在，這種片狀的第二相會(huì)在后續(xù)的變形過(guò)程中對(duì)基體產(chǎn)生不利的影響。

表2 圖3中各相能譜結(jié)果

2.2 掃描電鏡和能譜分析

未經(jīng)處理的2#樣品表面二次電子圖像如圖4所示。從圖4a低倍二次電子像宏觀形貌中可以看出，擠壓型材內(nèi)表面劃傷處在掃描電鏡下呈現(xiàn)一道道白色的亮線，在亮線中間存在有一些細(xì)小顆粒相。這些細(xì)小顆粒相在高倍下的宏觀形貌如圖4b～4e所示，其能譜分析結(jié)果如下表3所示。

通過(guò)對(duì)白色亮線處放大，可以看到有一些細(xì)小的顆粒狀和片狀物質(zhì)存在于白色亮線附近的表面和中間凹陷處，如圖4中的F、G、H點(diǎn)標(biāo)識(shí)所示。通過(guò)能譜分析結(jié)果可以看出，白色亮線附近表面相如圖3中相H和相J其主要含有元素為Al、Si、Fe、Mn和Cr，分析其可能為含Mn、Cr的AlFeSi相。中間凹陷處的顆粒狀物質(zhì)如圖4中相F、G和I所示，能譜分析結(jié)果顯示F為不含Mn和Cr的AlFeSi相 和 含Mn和Cr的AlFeSi相，G為 含Ca的 雜質(zhì)相。從以上分析可知，劃傷的型材表面和凹陷處出現(xiàn)了AlFeSi相，大量含F(xiàn)e相在型材表面聚集是因?yàn)楹辖鹪跀D壓過(guò)程中受到擠壓溫度和擠壓速度的影響，使得含F(xiàn)e相在擠壓過(guò)程中動(dòng)態(tài)析出。型材劃傷凹陷處存在的含Ca雜質(zhì)相可能是由于合金鑄棒精煉不充分、粉末涂料、氧化膜夾雜或者爐底脫落等原因造成。

圖4 掃描電鏡下樣品表面二次電子形貌

2.3 劃傷原因探討

從6005AH合金組織分析可知含Mn、Cr的AlFeSi相和不含Mn、Cr的AlFeSi相為該合金型材的主要組成相，通過(guò)2-2部分的介紹可以知道，合金中的第二相主要是β-AlFeSi相（Al5FeSi）。β相多以棒狀和桿狀形貌存在，這種形貌特征對(duì)塑形將產(chǎn)生不利的影響，往往會(huì)割裂基體，造成材料塑性下降。從表1可以看到，該合金中的Mn元素含量0.27%偏低（Mn元素要求含量為0.40%～0.47%），Mn元素在合金中可以促使針狀的β-AlFeSi相向粒狀的含Mn的α-AlFeSi相轉(zhuǎn)變[2,3]，降低β-AlFeSi相對(duì)基體變形過(guò)程中的割裂作用。擠壓過(guò)程中由于擠壓溫度高、擠壓速度快，金屬的流動(dòng)性增加，變形抗力減弱，極易造成粘鋁現(xiàn)象，硬質(zhì)顆粒相β相在高溫下析出吸附在模具工作帶表面，在擠壓過(guò)程中劃傷型材表面，合金中的雜質(zhì)相在擠壓過(guò)程中也極易從基體中分離出來(lái)，通過(guò)模具的工作帶時(shí)粘附在入口端形成粘鋁，并不斷被流動(dòng)的金屬拉出形成毛刺劃傷表面[4,5]。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)掃描電鏡和能譜分析，在6005AH鋁合金組織中和擠壓型材劃傷表面均發(fā)現(xiàn)有β-AlFeSi相的存在，從6005AH鋁合金自身質(zhì)量考慮，β-AlFeSi相是導(dǎo)致型材劃傷的主要原因。在6005AH鋁合金鑄棒擠壓過(guò)程中β-AlFeSi相在擠壓模具刃口處聚集，吸附在模具工作帶表面粘鋁層，對(duì)擠壓型材表面造成劃傷。

4 結(jié)語(yǔ)

為了盡量避免由于鋁棒質(zhì)量造成的擠壓型材表面劃傷缺陷，應(yīng)從源頭提升鋁棒質(zhì)量，合理設(shè)計(jì)合金成分盡量減少有害相β-AlFeSi相的析出，在鑄造過(guò)程中要及時(shí)清洗爐膛，優(yōu)選原料和輔料，加強(qiáng)鑄造工藝工程控制，防止鑄造缺陷，提高合金高溫塑性，防止6005H在擠壓過(guò)程中出現(xiàn)劃傷、毛刺等缺陷?？傊覀儽仨氄J(rèn)識(shí)到當(dāng)前6005H鋁合金型材擠壓工藝存在的問(wèn)題，并積極采取優(yōu)化措施對(duì)其進(jìn)行完善和改進(jìn)，以提高鋁合金型材的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率。