2×××、7×××系鋁合金棒材化合物聚集缺陷產(chǎn)生的原因及改善措施

李德貴,王大群,閆春寶,張燕飛,白曉霞,張宇婷

(東北輕合金有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

2×××系鋁合金具有良好的力學性能和加工性能,廣泛應用在國民經(jīng)濟和國防建設之中。7×××系鋁合金是目前生產(chǎn)的室溫強度最高的鋁合金,具有高的比強度和硬度、較好的耐腐蝕性能和韌性,成為重要的結(jié)構(gòu)材料。

近年來,國內(nèi)多名學者對2×××、7×××系鋁合金生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷開展相關的研究。胡天龍[1]等試驗研究了2618A鋁合金棒材粗晶環(huán)深度控制方法。曹艷偉[2]等對 2A12T352鋁合金棒材機加工過程中棒材表面沿縱向裂紋進行研究。周秉才[3]等分析了2A12T4棒材鋸切開裂的原因。高宗強[4]等討論了7A09鋁合金電池框架零件經(jīng)鉻酸陽極氧化處理后黑斑的成因。程思夢[5]等對7B04鋁合金鍛件中的探傷缺陷進行了研究。

某鋁加工廠對生產(chǎn)的2×××、7×××系某鋁合金棒材的檢測過程中,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)低倍化合物聚集缺陷。該缺陷導致檢測重復取樣、廢品量增加甚至整批報廢,嚴重影響生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。目前,對2×××、7×××系鋁合金棒材低倍化合物聚集缺陷研究較少,本文以某鋁加工廠生產(chǎn)的2×××、7×××系某鋁合金鑄錠、擠壓棒材為研究對象,通過顯微組織觀察及物相分析,確定了棒材產(chǎn)生低倍化合物聚集缺陷的原因,證明了該缺陷的遺傳性,提出了缺陷的改善措施。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為國內(nèi)某鋁加工廠生產(chǎn)的2×××系某鋁合金(記為2#合金)和7×××系某鋁合金(記為7#合金),采用φ405 mm圓鑄錠擠壓成φ160 mm棒材,化學成分見表1。

表1 試驗合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of test alloys (wt/%)

1.2 試驗方法

對擠壓棒材和車皮后的圓鑄錠進行低倍組織分析,以確認化合物聚集缺陷的形貌;采用金相顯微鏡觀察鑄錠和棒材的顯微組織,以確定化合物聚集缺陷的組織特征;通過掃描電鏡對化合物聚集區(qū)進行SEM顯微組織及EDS能譜分析,確定化合物聚集處的主要相組成。針對化合物聚集缺陷產(chǎn)生的原因提出改善措施,并且進行了效果驗證。

2 試驗結(jié)果

2.1 化合物聚集缺陷宏觀形貌

在2#合金擠壓棒材的低倍組織中,化合物聚集缺陷多分布于棒材的邊部,呈連續(xù)白色弧狀,缺陷深度往往超出了棒材直徑的負偏差尺寸。

圖1為2#合金鑄錠的低倍組織。由圖1可見,車皮后的鑄錠邊部殘留10 mm以上的偏析層。

圖1 2#合金鑄錠低倍偏析層組織Fig.1 Macrostructure of segregation layer in 2# alloy ingot

2.2 化合物聚集缺陷顯微組織分析

圖2為2#合金鑄錠的顯微組織。由圖2a可見,正常基體組織的化合物分布較為均勻,尺寸也較小;圖2b枝晶晶網(wǎng)結(jié)構(gòu)較多,存在明顯的化合物聚集現(xiàn)象。

為了確定2#合金鑄錠化合物聚集處的第二相,對2#合金鑄錠SEM顯微組織(圖3)中的E點進行EDS分析,結(jié)果見表2。由表2可以看出, Al和Cu元素摩爾分數(shù)的比值近似為2∶1,由此可推斷該相為CuAl2相。

圖3 2#合金鑄錠化合物聚集區(qū)SEM顯微組織及EDS選區(qū)位置Fig.3 SEM microstructure and EDS selection in compound aggregation area of 2# alloy ingot

表2 圖3中E點位置EDS成分分析結(jié)果Table 2 EDS component analysis results at point E in Fig.4

圖4為2#合金擠壓棒材的顯微組織。對比圖4a、4b可以看出,化合物聚集區(qū)的化合物分布更為密集,化合物尺寸也更大。

圖4 2#合金擠壓棒材的顯微組織Fig.4 Microstructure of 2# test alloy extrusion rod

為了驗證2#合金擠壓棒材的顯微組織化合物聚集處的物相，對棒材組織(圖5)中L點進行EDS分析,結(jié)果見表3。由表3可知,化合物的主要元素是Al和Cu,且Al、Cu元素的摩爾分數(shù)比近似為2∶1,進一步驗證了此處化合物聚集的是CuAl2相。在Al-Cu-Mg系合金中,當鎂含量較低時,CuAl2是低強度硬鋁和中強度硬鋁中的主要強化相;當x(Cu)∶x(Mg)>2.6時,則形成S和CuAl2相或只有CuAl2相[6]。由表3中2#合金的化學成分可以推算,CuAl2相是該合金中主要的強化相。

圖5 2#合金棒材化合物聚集區(qū)SEM顯微組織及EDS選區(qū)位置Fig.5 SEM microstructure and EDS selection in compound aggregation area of 2# alloy ingot

表3 圖5中L點位置EDS成分分析結(jié)果Table 3 EDS component analysis results at point L in Fig.5

圖6為7#合金棒材顯微組織。通過對比可以看出,圖6a中化合物分布較為彌散均勻,圖6b中有明顯的化合物聚集現(xiàn)象。

圖6 7#合金擠壓棒材顯微組織Fig.6 Microstructure of 7# test alloy extrusion rod

對異常區(qū)域進行掃描電鏡觀察,并對化合物進行能譜分析,發(fā)現(xiàn)低倍異常的區(qū)域存在明顯的化合物聚集現(xiàn)象,化合物主要有兩種表現(xiàn)形式,一種為在背散射下觀察呈白色,該類化合物數(shù)量較多;另一種在背散射下觀察呈黑色,該類化合物數(shù)量較少。

首先對異常區(qū)域進行線掃描,觀察在所畫直線上主要元素是否存在明顯變化,從而對比化合物聚集區(qū)域與其他位置的元素含量是否存在明顯差異,具體分析區(qū)域如圖7所示。

圖7 7#合金棒材化合物聚集處的線掃描區(qū)域Fig.7 Line scanning area of compound aggregation in 7# alloy rod

各主元素含量在直線上的變化如圖8所示。

圖8 圖7中化合物聚集處線掃描圖譜Fig.8 Line scan pattern of compound aggregation in Fig.7

通過線掃描可知,化合物聚集區(qū)域與其附近區(qū)域,主元素無明顯差異,峰值的變化應為化合物的影響,而化合物應分別含有Mg和Cu元素。對7#合金擠壓棒材化合物聚集區(qū)(圖9)第二相進行EDS分析,結(jié)果見表4、表5。

圖9 化合物聚集區(qū)SEM顯微組織及EDS選區(qū)位置Fig.9 SEM microstructure and EDS selection in compound aggregation area

表4 圖9中A點位置EDS成分分析結(jié)果Table 4 EDS component analysis results at point A in Fig.9

表5 圖9中B點位置EDS成分分析結(jié)果Table 5 EDS component analysis results at point B in Fig.9

由表4、表5可知,棒材中所含的黑色相(A點)應為含Mg、Si相,灰色相(B點)應為含Cu相。

3 分析與討論

3.1 鑄錠外層偏析原理

連續(xù)鑄造時,凝固殼形成后,由于錠坯的收縮,在模壁和錠坯之間形成間隙,使冷卻強度減弱,而鑄錠外層受液穴金屬的加熱,溫度重新升高,使得晶界和凝殼產(chǎn)生局部軟化或熔化。而此時填充在晶界或枝晶間尚未凝固的低熔點相,在大氣壓和金屬液柱靜壓力的作用下,流到晶粒間空隙中去,形成外層偏析。嚴重時還可突破凝殼的晶間薄弱處,形成偏析瘤。外層偏析區(qū)的特征是合金元素含量高于平均值,并且跳躍式地增大,也經(jīng)常有些合金元素低于平均值。

3.2 擠壓方式對缺陷遺傳性的影響分析

正向擠壓時,在填充擠壓階段和平流擠壓階段,靠近擠壓墊片和模子角落處的金屬不參與流動而形成難變形的“死區(qū)”(如圖10所示)。當擠壓進入紊流擠壓階段時,擠壓墊片與模子間距離縮小,迫使變形區(qū)內(nèi)的金屬由周圍向中心發(fā)生劇烈的橫向流動,同時,兩個“死區(qū)”中的金屬也向?？琢鲃?偏析層組織中留有的化合物聚集組織,隨著“死區(qū)”的金屬在擠壓紊流階段填充到棒材的淺表層。常規(guī)的切尾長度無法去除化合物聚集組織,對棒材的成品率產(chǎn)生較大影響。

反向擠壓時,靠近模子處,由于模面的摩擦力作用產(chǎn)生了一薄層死區(qū)且不參與金屬流動。鑄錠最表層金屬(小于2 mm)被阻止在模面死區(qū)內(nèi),而稍深層金屬(大于4 mm)直接流入表層內(nèi)[7]。 因此,反擠棒材的化合物聚集部分多處于金屬淺表層區(qū)域,且在棒材表層的長度方向上均存在,很難通過加大切尾量的方式去除,極易造成批量性的產(chǎn)品報廢。

3.3 化合物聚集區(qū)特征

2×××系鋁合金的相組成主要為CuAl2,7×××系鋁合金的相組成主要為Mg2Zn和T(AlZnMgCu)。對比本文中棒材化合物聚集處顯微組織及EDS分析結(jié)果,2#合金的化合物聚集區(qū)中Cu元素的質(zhì)量分數(shù)約為51%,遠高于該合金Cu元素理論配比5.8%～6.8%。7#合金的化合物聚集區(qū)中Zn、Mg、Cu等合金元素的質(zhì)量分數(shù)也遠高于該合金的平均成分?；衔锞奂瘏^(qū)符合鑄錠外層偏析區(qū)的特征。

4 改善措施及效果

鑄錠外層偏析組織車除不凈,其殘余部分在后續(xù)熱擠壓時進入棒材組織內(nèi)部就會形成在棒材低倍組織上即可觀察到的化合物聚集缺陷。在工業(yè)生產(chǎn)中,應盡量減薄鑄錠外層偏析區(qū)(即偏析層組織)以便在機加過程中車除,以免進入擠壓制品中具體措施如下。

1)對2#合金圓鑄錠,適當提升鑄造速度及水流量,可明顯減薄偏析層厚度,φ482 mm規(guī)格(鑄造直徑496 mm)平均偏析層深度由7.2 mm減小至6.2 mm,在后續(xù)機加車皮過程中可以保證偏析層組織車除干凈。

2)針對7#合金,因為更改工藝參數(shù)會使成型比較困難,所以從工裝、工具的方面進行改進優(yōu)化,適當增大鑄錠直徑,7#合金鑄錠φ482 mm平均偏析層厚度為8.0 mm,鑄造直徑優(yōu)化增大至500 mm～502 mm,在后續(xù)機加車皮過程中可以加大車皮量,保證偏析層組織去除干凈。

5 結(jié) 論

1)化合物聚集缺陷為鑄錠外層殘留的偏析組織熱擠壓后進入棒材內(nèi)部形成的。

2)對2#鋁合金圓鑄錠,提升鑄造速度及加大水流量可明顯減薄偏析層厚度,正常車皮就可以去掉偏析層,對7#鋁合金增大鑄錠直徑,加大車皮量,也可以得到無偏析層的鑄錠,從而消除兩種合金擠壓產(chǎn)品化合物聚集缺陷。