羅 淞, 林高用 曾菊花 孫利平 , 鄒艷明 周玉雄

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 山西陽泉鋁業(yè)股份有限公司，陽泉 045003)

硬質(zhì)相對(duì)6061鋁合金異型散熱型材表面質(zhì)量的影響

羅 淞1,2, 林高用1, 曾菊花1, 孫利平1, 鄒艷明1, 周玉雄1

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 山西陽泉鋁業(yè)股份有限公司，陽泉 045003)

采用化學(xué)成分分析、金相分析、掃描電鏡、力學(xué)性能測(cè)試、能譜分析及 PoDFA雜質(zhì)分析等技術(shù)對(duì)國產(chǎn)6061鋁合金異型散熱型材和進(jìn)口同種優(yōu)質(zhì)6061鋁型材進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：國產(chǎn)型材的雜質(zhì)總含量為0.195 mm2/kg，明顯高于進(jìn)口型材的雜質(zhì)總含量(0.016 mm2/kg)，且其中存在較多的MgAl2O4尖晶石和MgO硬質(zhì)雜質(zhì)相，這些物相具有特殊的形態(tài)和較高的硬度，在加工過程中易劃傷模具表面而降低型材的表面質(zhì)量；國產(chǎn) 6061鋁型材中Mg和Si元素的含量均高于進(jìn)口試樣的，但由于形成了較多大塊狀、硬而脆的Fe2Si2Al9相，導(dǎo)致國產(chǎn)型材的強(qiáng)度雖稍高于進(jìn)口型材的，但其伸長率卻大幅度下降，也影響型材的表面質(zhì)量。

6061散熱鋁型材；硬質(zhì)相；表面質(zhì)量

鋁型材以良好的導(dǎo)熱性能和成形性能成為制造散熱器的重要材料[1]。作為散熱器型材，為了實(shí)現(xiàn)散熱器熱傳導(dǎo)能力的最大化，不僅要選用具有較高傳熱系數(shù)的材料，還要保證熱源與散熱器底座的緊密結(jié)合，因此，對(duì)型材的表面質(zhì)量有較高的要求[2]。但是，鋁型材在生產(chǎn)過程中特別是擠壓過程中因?yàn)楣に嚨膹?fù)雜性以及型材質(zhì)量對(duì)工藝的敏感性而容易形成一些表面缺陷。缺陷的形成導(dǎo)致產(chǎn)品外觀質(zhì)量較差，成材率下降，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

擠壓型材常見的表面缺陷有夾渣、劃痕、起皮、起泡、定徑帶條紋、組織條紋、停車痕和橘皮等[3?4]。國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的 6061鋁合金異型散熱型材的表面存在較明顯的劃傷、劃痕或毛刺。導(dǎo)致型材表面產(chǎn)生劃傷、劃痕或毛刺的主要原因有兩個(gè)方面[3]：1) 模具和擠壓工藝，如模具定徑帶不光滑、擠壓筒內(nèi)壁或模具上存在未清理干凈的異物、擠壓壓余或脫皮過?。?) 材料本身含有較多硬質(zhì)雜質(zhì)或其他硬質(zhì)相，導(dǎo)致擠壓模具表面損傷嚴(yán)重，進(jìn)而使型材粘模幾率增加。近年來，國內(nèi)研究人員對(duì)這類表面質(zhì)量問題進(jìn)行了較多的探討。王榮濱[5]認(rèn)為，產(chǎn)生表面劃痕的根本原因在于模具的表面狀況、工模具的裝配及擠壓筒內(nèi)的異物。張金剛[6]則將表面產(chǎn)生劃、擦、碰傷的原因歸結(jié)于鑄錠內(nèi)堅(jiān)硬的金屬顆粒、模具型腔和出料軌道上較硬的夾雜物以及模具工作帶的硬度。他雖然提到鑄錠中的堅(jiān)硬顆粒會(huì)使型材表面產(chǎn)生劃傷，但并未對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行研究，國外也尚無相關(guān)報(bào)道。為此，本文作者研究型材中的硬質(zhì)相對(duì)型材表面質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的材料有兩種，分別為國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的6061鋁合金異型散熱型材和進(jìn)口的同種優(yōu)質(zhì)6061鋁型材。從兩種型材的同一位置取樣，通過鉆削、機(jī)械加工或線切割，將其制成用于成分分析、金相、掃描電鏡和拉伸測(cè)試的試樣，進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)。

采用IRIS Advantage 1000 ICP?AES型等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行成分檢測(cè)；試樣用 Keller試劑(1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)侵蝕，用PLOYMAR METⅡ型金相顯微鏡觀察合金的微觀組織；用Sirion 200場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和Gensis 60多功能電子能譜儀分別進(jìn)行形貌觀察及微區(qū)成分分析；在MTS 810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速率為2 mm/min。

除以上常規(guī)檢測(cè)外，采用ABB公司的PoDFA技術(shù)對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，具體過程如下：提取一定量?jī)煞N型材的金屬液，將其倒入專用坩堝中；真空促使金屬流向微孔過濾器，熔體中的雜質(zhì)集中在過濾器表面；待熔體基本過濾后(5 min)，將過濾器連同殘余金屬及雜質(zhì)一同剪下，制成樣品，進(jìn)行磨拋。樣品在光學(xué)顯微鏡下觀察，并用鋁液雜質(zhì)分析儀對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面宏觀形貌

圖1 兩種6061鋁型材的外觀及其表面實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Physical pictures of two kinds of 6061 aluminum profiles: (a) Appearance of profiles; (b) Surface of domestic profile; (c) Surface of imported profile

圖1 所示為國內(nèi)某公司生產(chǎn)和進(jìn)口的6061鋁合金異型散熱型材表面實(shí)物照片。由圖1可見，國產(chǎn)6061鋁合金型材的表面明顯不光滑，存在較多的劃痕和毛刺，其表面質(zhì)量較差，而進(jìn)口型材的表明平整，劃痕很少，表面質(zhì)量較好。

2.2 化學(xué)成分

對(duì)兩種型材分別進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1所列。由表1可知，與進(jìn)口試樣相比，國產(chǎn)試樣中Mg、Si、Cu和Cr等元素含量均較高，但 Mg與 Si的質(zhì)量比(m(Mg)/m(Si))相近，均大于4。6061鋁合金中主要強(qiáng)化相Mg2Si中Mg與Si的質(zhì)量比為1.73[7]，因此，兩種型材中的Mg均有較多的剩余。6061合金中Mg的存在形式有多種，除了形成Mg2Si和AlMgSi(Cu)等強(qiáng)化相以外，還可能因?yàn)楸谎趸蒑gO和MgAl2O4等化合物[8?9]。兩種型材中剩余的Mg在熔鑄、后續(xù)加工及存放過程中都可能被氧化。國產(chǎn)試樣中Fe等雜質(zhì)的含量控制得較好，其含量較低。

表1 兩種6061鋁型材的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of two kinds of 6061 aluminum profiles (mass fraction, %)

2.3 內(nèi)部雜質(zhì)

對(duì)兩種6061鋁型材中雜質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果如表2所列。由表2可知，兩種試樣中的主要雜質(zhì)類型都是晶粒細(xì)化劑、(Ti, V)B2、鎂化合物(MgO、MgAl2O4立方晶和尖晶石)以及一些可能存在的氯化物。國產(chǎn)試樣中雜質(zhì)含量較高，為0.195 mm2/kg；而進(jìn)口試樣較純凈，其雜質(zhì)含量?jī)H為0.016 mm2/kg。圖2所示為兩種型材雜質(zhì)分析試樣的金相組織。由圖2可看出，國產(chǎn)試樣中雜質(zhì)含量較高，主要有鎂化合物、晶粒細(xì)化劑以及(Ti,V)B2；而進(jìn)口試樣較純凈，只含有少量的氯化物和晶粒細(xì)化劑。

(Ti, V)B2是在熔煉過程中對(duì)熔體進(jìn)行硼化處理時(shí)形成的細(xì)小產(chǎn)物，對(duì)材料的表面質(zhì)量影響較小。MgAl2O4是Mg在高溫重熔過程中與空氣接觸而形成的化合物。MgAl2O4雜質(zhì)的硬度很高[9]，當(dāng)其以尖晶石形態(tài)存在時(shí)，對(duì)材料的表面質(zhì)量影響較大，而以立方晶形態(tài)存在時(shí)，則影響較小。MgO是Mg與空氣接觸而形成的化合物，其硬度也較高[9]，但尺寸很小，然而，當(dāng)其聚集成塊時(shí)，由于也是在型材內(nèi)部以尖晶石形態(tài)存在或存在于型材表面氧化薄膜中，因而也影響材料的加工性能和表面質(zhì)量。雜質(zhì)中的氯化物大多是用氯氣或者氯鹽作為除氣、除渣的精煉劑時(shí)帶入的。氯化物通常較軟，對(duì)一般型材產(chǎn)品的表面質(zhì)量無有害影響。

金屬在擠壓過程中發(fā)生較大程度的變形，導(dǎo)致大部分金屬在流出?？跁r(shí)形成型材的表面。原擠壓鑄錠內(nèi)部的雜質(zhì)相也隨著基體金屬的流動(dòng)而流入型材表面。若基體中存在體積較大的硬質(zhì)相，則其會(huì)劃傷模具的工作帶，導(dǎo)致工作帶的內(nèi)表面變得粗糙。粗糙的工作帶不僅會(huì)劃傷型材的表面，而且會(huì)使粘鋁現(xiàn)象加劇。粘在工作帶上的鋁若未及時(shí)清理，會(huì)進(jìn)一步劃傷型材表面，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在型材的表面沿?cái)D壓方向留下一道道凹槽。由表2可知，國產(chǎn)試樣內(nèi)部存在較多的MgAl2O4尖晶石和 MgO硬質(zhì)雜質(zhì)相。這些硬質(zhì)雜質(zhì)相具有特殊的形態(tài)和較高的硬度，導(dǎo)致其在擠壓過程中易劃傷模具工作帶，進(jìn)而影響型材的表面質(zhì)量。

2.4 組織分析

圖 3所示為國產(chǎn)和進(jìn)口兩種型材的背散射電子像。由圖 3(a)可知，國產(chǎn)試樣中除基體外，有兩種很明顯的特征相，如A和B點(diǎn)所示。此外，國產(chǎn)試樣中還有少量呈彌散分布的細(xì)小顆粒物相。由于這些相面積太小，在能譜儀上難以精確捕捉。由圖3(b)可知，進(jìn)口試樣中主要有大塊狀白色相和呈細(xì)小彌散分布的灰白色相，如D和C點(diǎn)所示。對(duì)A、B、C和D點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如表3所列。根據(jù)元素的摩爾比，同時(shí)參考文獻(xiàn)[10?11]發(fā)現(xiàn)，除基體外，國產(chǎn)試樣中的主要特征相是大塊狀的Fe2Si2Al9相和小塊狀的Mg2Si相，而進(jìn)口試樣中主要有小塊狀Fe2Si2Al9相和呈細(xì)小彌散分布、以MgCl2為代表的氯化物相。

表2 兩種6061鋁型材的雜質(zhì)分析結(jié)果Table 2 Results of inclusion analysis of two kinds of 6061 aluminum profiles

圖2 鋁液雜質(zhì)分析試樣的微觀組織Fig.2 Microstructures of samples of aluminum liquid for inclusion analysis: (a), (b) Domestic sample; (c), (d) Imported sample

圖3 兩種6061鋁型材的背散射電子像(未腐蝕)Fig.3 BSEM images of two kinds of 6061 aluminum profiles (without corrosion): (a) Domestic sample; (b) Imported sample

對(duì)兩種試樣進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩種試樣中都存在塊狀Fe2Si2Al9相，但是國產(chǎn)試樣中Fe2Si2Al9相的數(shù)量更多、更粗大，且不均勻。文獻(xiàn)[10]結(jié)果顯示，當(dāng)6000系合金中Si含量高于Fe含量時(shí)，會(huì)生成針狀Fe2Si2Al9相。該針狀相硬而脆，顯微硬度高達(dá)578 HV，在加工過程中容易破碎成塊狀。塊狀Fe2Si2Al9雖然能夠提高型材的抗拉強(qiáng)度和硬度，但由于該相質(zhì)點(diǎn)粗大，且很硬，位錯(cuò)不易切割，因此，降低了合金的擠壓性能，且容易拉傷或劃傷型材表面以及模具的工作帶，在變形中還易成為裂紋源，降低合金的斷裂韌性[11?12]。因此，國產(chǎn)試樣中存在較多粗大且分布不均勻的Fe2Si2Al9硬質(zhì)相也是造成國產(chǎn)型材表面質(zhì)量不佳的重要原因。

表3 圖3所示特征點(diǎn)的能譜分析結(jié)果Table 3 Energy spectrum analysis results of characteristic locations in Fig.3

圖4所示為兩種型材的金相組織。由圖4可看出，兩種型材中都存在較明顯的相脫落，根據(jù)文獻(xiàn)[13?15]，可判斷其為Mg2Si相。結(jié)合圖3所示型材的背散射電子像可知，F(xiàn)e2Si2Al9相的面積比Mg2Si相的大，由此可判斷，圖4所示的粗大圓狀相為Fe2Si2Al9相。對(duì)兩種試樣進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)試樣中的Fe2Si2Al9相更多、更粗大，且分布不均勻，這和掃描電鏡分析得到的結(jié)果是一致的。

圖4 兩種6061鋁型材的金相組織Fig.4 Metallographic structures of two kinds of 6061 aluminum profiles: (a) Domestic sample; (b) Imported sample

2.5 力學(xué)性能

對(duì)兩種型材分別進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表4所列。由表4可知，與進(jìn)口試樣相比，國產(chǎn)試樣抗拉強(qiáng)度的增幅小于10%，而伸長率的降低幅度卻大于20%。這是因?yàn)閲a(chǎn)試樣中合金元素的含量較高，合金元素之間及其與雜質(zhì)之間形成的強(qiáng)化相提高了材料的抗拉強(qiáng)度，但是，這些強(qiáng)化相中部分相硬而脆，且較粗大，如Fe2Si2Al9相等，在變形過程中容易成為裂紋源，從而能大幅度降低型材的塑性。

表4 兩種6061鋁型材的室溫力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of two kinds of 6061 aluminum profiles at room temperature

3 結(jié)論

1) 國產(chǎn)試樣中雜質(zhì)的總含量(0.195 mm2/kg)高于進(jìn)口試樣的(0.016 mm2/kg)。兩種試樣中的主要雜質(zhì)類型均為晶粒細(xì)化劑、鎂化合物(MgO、MgAl2O4立方晶和尖晶石)以及氯化物，但國產(chǎn)試樣中存在較多的MgAl2O4尖晶石和 MgO硬質(zhì)雜質(zhì)相，這些硬質(zhì)雜質(zhì)相具有特殊的形態(tài)和較高的硬度，在加工過程中易劃傷模具工作帶而降低型材的表面質(zhì)量。

2) 國產(chǎn)6061鋁型材中的合金元素Mg和Si的含量高于進(jìn)口試樣的，但由于形成了較多大塊狀、硬而脆的Fe2Si2Al9相，因此，國產(chǎn)型材的強(qiáng)度雖稍高于進(jìn)口型材的，但伸長率卻較大幅度地下降，也影響型材的表面質(zhì)量。

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Effect of hard phases on surface quality of 6061 special-shaped radiator aluminum profile

LUO Song1,2, LIN Gao-yong1, ZENG Ju-hua1, SUN Li-ping1, ZOU Yan-ming1, ZHOU Yu-xiong1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Shanxi Yangquan Aluminium Industry Co., Ltd, Yangquan 045003, China)

Contrastive analyses of two kinds of 6061 special-shaped radiator aluminum profiles produced at home and abroad were done by composition analyses, OM, SEM, mechanical tests, energy spectrum analyses and PoDFA inclusion analyses. The results show that the inclusion concentration of the domestic profile is 0.195 mm2/kg, which is obviously higher than that of the imported one (0.016 mm2/kg). There are more spinel MgAl2O4and MgO inclusions with special shapes and high hardness in the domestic profile, which can scratch the surface of molds and worsen the surface quality of profiles. With higher contents of Mg and Si, the strength of the domestic profile is slightly higher than that of the imported one. However, due to the formation of massive, hard and brittle Fe2Si2Al9phases, its elongation is much lower than that of the imported one, and its surface quality is also affected.

6061 radiator aluminum profile; hard phases; surface quality

TB31

A

1004-0609(2011)07-1521-06

國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2007BAE38BO4)

2010-06-18；

2010-09-19

林高用，教授，博士；電話：13507422779；E-mail: gylin6609@yahoo.com.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)