楊夢(mèng)楠

（山東諾維科輕量化裝備有限公司，龍口 265705）

汽車剎車系統(tǒng)用高硅鋁合金擠壓型材表面氣泡缺陷研究

楊夢(mèng)楠

（山東諾維科輕量化裝備有限公司，龍口 265705）

研究分析了一種用于汽車剎車系統(tǒng)的鋁合金型材表面氣泡缺陷的問(wèn)題。觀察了缺陷的宏觀表征與顯微組織，從鑄造、擠壓以及離線淬火等方面分析了氣泡形成原因，明確氣泡缺陷是在擠壓工序中產(chǎn)生的。通過(guò)擠壓實(shí)驗(yàn)成功地解決了氣泡缺陷，提高了產(chǎn)品的成品率。

汽車用鋁合金；擠壓；離線淬火；表面氣泡

0 前言

隨著汽車輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金在汽車制造中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，對(duì)其質(zhì)量與性能的要求也日益提高[1]。為搶占汽車零部件市場(chǎng)，我公司研究開發(fā)了多種汽車用鋁合金型材，包括剎車系統(tǒng)閥塊、懸掛系統(tǒng)控制臂、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝托架、保險(xiǎn)杠等，并為滿足市場(chǎng)需求與客戶使用要求不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行提升優(yōu)化。在實(shí)際生產(chǎn)中，檢測(cè)到一種ABS閥塊型材在淬火后出現(xiàn)大批量的表面氣泡的現(xiàn)象，該種表面缺陷的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的后續(xù)加工和使用，造成型材報(bào)廢等不必要的損失。為解決該項(xiàng)難題，本文針對(duì)氣泡缺陷展開研究。

1 氣泡缺陷及原因分析

1.1 氣泡形貌

1.1.1 宏觀觀察

淬火后發(fā)現(xiàn)有部分型材表面出現(xiàn)如圖1所示的大小不一的連續(xù)凸起，多位于型材邊部，沿著擠壓方向排布。

圖1 淬火后型材表面氣泡形貌

1.1.2 金相觀察

觀察該缺陷處的顯微組織。對(duì)金相試樣進(jìn)行機(jī)械拋光處理，用keller試劑(2mL HF+3mL HCl+5mL HNO3+95mL H2O)進(jìn)行腐蝕，采用Olympus顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相組織觀察。如圖2所示，缺陷表皮金屬隆起與基體間形成空腔，依然分布在型材邊部，且沿著擠壓方向，與以上型材宏觀形貌特征一致。

圖2 淬火后型材截面金相

1.1.3 掃描電鏡觀察

為確定缺陷的內(nèi)部物質(zhì)成分，對(duì)其進(jìn)行成分分析。表1結(jié)果顯示缺陷成分主要為碳，此外無(wú)其他異常元素，因此可排除有夾雜的可能，該缺陷為空心的氣泡。

表1 缺陷內(nèi)部物質(zhì)成分

1.2 氣泡產(chǎn)生原因

由以往的研究可知，鑄造、擠壓以及淬火工序均可能造成型材表面氣泡[2]。

鑄造方面，因夏季空氣濕度大，造成鑄棒含氫量過(guò)高。在擠壓變形過(guò)程中，氫發(fā)生析出與集聚，形成金屬分層。在固溶加熱時(shí)金屬分層內(nèi)的氣體發(fā)生膨脹，當(dāng)內(nèi)壓力超過(guò)表皮金屬抗拉強(qiáng)度時(shí)，表皮金屬便發(fā)生凸起形成氣泡。

擠壓方面，鑄棒與擠壓桿、模具、剪刀均有緊密接觸，擠壓時(shí)均有可能卷入空氣、離型劑、油污等雜物，隨著金屬流動(dòng)帶入到型材中，形成夾層或微裂縫。當(dāng)缺陷處在固溶處理加熱時(shí)，缺陷中的氣體急劇膨脹在金屬表面出現(xiàn)氣泡[3]。

離線淬火過(guò)程中，當(dāng)空氣濕度過(guò)大時(shí)，型材表面會(huì)與氫原子作用生成氣泡。但在實(shí)際生產(chǎn)中，熱處理過(guò)程一般不會(huì)產(chǎn)生廢品，因?yàn)樵诳諣t后再次使用前都要烘爐，使?fàn)t內(nèi)潮氣散盡，盡量消除氣體滲透產(chǎn)生表面氣泡。而淬火溫度和淬火速度對(duì)棒材表面氣泡的產(chǎn)生均無(wú)明顯影響[4]。

由于本文研究的氣泡中含有大量的碳，我們排除了鑄棒氫含量過(guò)高這一可能因素。此外，對(duì)比圖3中型材淬火前后的缺陷金相組織，可觀察到淬火前型材邊部已出現(xiàn)沿著擠壓方向的線狀“裂紋”，經(jīng)過(guò)離線淬火后該處“裂紋”變?yōu)橥蛊鸬臍馀?。由此可知，型材表面氣泡在淬火前已?jīng)形成，在離線淬火過(guò)程中經(jīng)高溫保溫，氣泡逐漸擴(kuò)張，淬火出爐后則顯現(xiàn)為圖1中的宏觀形貌。因此，排除了離線淬火這一因素，確定氣泡是由擠壓過(guò)程中混入的異物造成的。

圖3 淬火前后型材截面金相

表2 氣泡產(chǎn)生原因

分析總結(jié)擠壓過(guò)程中可能造成氣泡的原因，并將影響因素列于表2。針對(duì)以上可能原因，進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)方法

2.1 合金元素

本次擠壓實(shí)驗(yàn)使用的是一種專用于汽車ABS閥塊的Al-Mg-Si系鋁合金，表3為該合金元素配比。

表3 汽車用Al-Mg-Si系鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

2.2 擠壓工藝

選用半連續(xù)鑄造的?440mm規(guī)格鋁棒，采用電磁加熱爐高頻梯度加熱、7000t單動(dòng)正向擠壓機(jī)（DANIELI），以及考邁托在線淬火裝置進(jìn)行等溫勻速擠壓。擠壓工藝參數(shù)詳見表4。

表4 擠壓工藝參數(shù)

2.3 擠壓操作

根據(jù)以上的原因分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中擠壓機(jī)運(yùn)行結(jié)構(gòu)[5]（如圖4所示），本次實(shí)驗(yàn)從模具、剪刀、擠壓桿、鋁棒和殘錠剪切五個(gè)方面來(lái)進(jìn)行改善：規(guī)范離型劑的噴涂方向以及位置，在模具出口處往入口方向均勻噴涂2次；在剪刀背面、擠壓桿表面不允許有離型劑，防止擠壓時(shí)卷入到型材中；選用表面光滑潔凈、無(wú)磕碰傷的鋁棒，避免在擠壓過(guò)程中帶入油污或形成氣體縫隙；更換刀刃鋒利的剪刀，確保殘錠剪切平整無(wú)縫隙。

圖4 擠壓機(jī)示意圖

2.4 離線淬火

采用4m×4m×4.5m規(guī)格淬火爐，實(shí)驗(yàn)淬火工藝：升溫2～4h至510～550℃，保溫1.5～3h后水淬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上擠壓實(shí)驗(yàn)，型材經(jīng)過(guò)離線淬火后，表面光亮平整，無(wú)氣泡產(chǎn)生，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)型材表面

4 結(jié)論

（1）鑄造、擠壓以及淬火工序等均可造成型材表面氣泡。經(jīng)氣泡宏觀組織觀察、淬火前后金相組織對(duì)比以及氣泡元素含量分析，確定型材表面氣泡是由于擠壓操作不當(dāng)造成的。

（2）通過(guò)規(guī)范模具、剪刀、擠壓墊片上的離型劑噴涂方式，加強(qiáng)鑄棒表面的清潔度，提高殘錠剪切的質(zhì)量，成功地解決了型材表面氣泡缺陷，提升了型材成品率。

[1]劉靜安,劉志銘.鋁合金擠壓工業(yè)及技術(shù)和裝備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].鋁加工，2008(2):4-8

[2]鄭超,傅英祥.鍛旋鋁合金車輪轂表面氣泡原因與解決措施[J].鋁加工，2008(4)：32-35

[3]蔣建軍.6063鋁合金擠壓型材質(zhì)量影響因素及解決方法[J].鋁加工，2005(2)：35-39

[4]王鳳春.2A14鋁合金棒材表面氣泡的分析[J].輕合金加工技術(shù)，2005，33(2)：35-37

[5]肖亞慶，劉靜安.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012

Study on Surface Bubble Defects of High-silicon Aluminum Alloy Extrusions for Automobile Brake System

YANG Meng-nan
(Shandong Nollvetec Lightweight Equipment Co.,Ltd.,Longkou 265705,China)

The surface bubble defects of aluminum alloy profiles for automobile brake system are studied in this paper.The macroscopic characterization and microstructure of the defects were observed.The causes of bubbles were analyzed from the aspects of casting,extrusion and off-line quenching.It was concluded that the bubble defects were produced in the extrusion process.The bubble defect was successfully solved by extrusion test,and the yield of the product was improved.

aluminum alloys for automobiles;extrusion;off-line quenching;surface bubbles

TG379

A

1005-4898(2017)06-0037-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.07

楊夢(mèng)楠（1991-），女，黑龍江哈爾濱人，中南大學(xué)材料加工專業(yè)畢業(yè)，助理工程師。

2017-08-21