王 宇，石 嬌，劉 歡，曹振華，李鵬偉

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著現(xiàn)代交通工具的快速發(fā)展，對材料性能的要求越來越高。鋁合金制品因其質輕、耐腐蝕性好、拉伸性能高等特點，可實現(xiàn)其型材的大型寬體化[1]。為此鋁合金在高速列車車體中的應用已成為當今世界各國研究的熱點[2]。6005A 鋁合金具有中等強度、可焊性和耐腐蝕性優(yōu)良的特點[3-4]，特別是其優(yōu)良的擠壓性能，使其作為車輛用大截面薄壁中空擠壓型材得到了廣泛的認同和應用[5-7]。鋁合金擠壓時制品上會出現(xiàn)許多表面缺陷，如熱裂紋、縮尾、粗晶環(huán)等，它們會造成廢次品故需切除掉。粗晶環(huán)會影響制件的力學性能和表面質量，嚴重降低合金的可切削性[8]。有些鋁合金的擠壓制品在固溶處理后的低倍試樣上，沿制品周邊形成粗大再結晶晶粒組織區(qū)，稱為粗晶環(huán)[9]。由于制品外形和加工方式不同，可形成環(huán)狀、弧狀及其他形式的粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的深度從尾端向前端逐漸減小以至完全消失[10]。

粗晶環(huán)的形成機理是：由熱擠壓在制品表層形成的亞晶區(qū)通過加熱固溶處理后形成粗大的再結晶晶粒組織區(qū)；這些粗大的再結晶晶粒組織區(qū)若出現(xiàn)在擠壓棒材上一般被稱為粗晶環(huán)，若出現(xiàn)在擠壓空心型材上一般被稱為皮質層。本文通過試驗，對比分析了型材皮質層缺陷的金相組織、力學性能、斷口形貌及疲勞性能，為此類產(chǎn)品的質量檢測和工藝研發(fā)提供實驗數(shù)據(jù)和技術指導。

1 試驗材料與方法

本試驗選用的是規(guī)格為φ446 mm×1 390 mm的6005A 鋁合金鑄錠，其成分見表1。試驗選用型材米重20.741 kg/m，其斷面如圖1 所示。通過75 MN擠壓機對6005A-T6試樣進行擠壓生產(chǎn)，擠壓工藝見表2。生產(chǎn)工藝流程為鑄錠加熱→擠壓→淬火→拉伸矯直→成品鋸切→人工時效→驗收→交貨。

表1 6005A 合金化學成分（質量分數(shù)/%）

本試驗分別通過力學性能、金相檢測、斷口形貌觀察對皮質層缺陷進行分析。

圖1 型材低倍斷面圖

表2 擠壓工藝參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能分析

在同批次6005A-T6 合金有皮質層缺陷區(qū)域和無缺陷同區(qū)域內(nèi)選取試樣，并分別編號為1#、2#、3#。1#為無缺陷試樣，2#為1/2 皮質層厚度試樣，3#為全截面皮質層厚度試樣。使用日本島津AG-X100KN 型電子萬能試驗機對試樣進行力學性能檢測，試驗結果如表3 所示。通過表3 可以看出，1#試樣的屈服強度和抗拉強度均高于標準要求的強度值，并且斷后伸長率大于標準數(shù)值，符合客戶要求。2#、3#試樣的屈服強度和抗拉強度及斷后伸長率均低于標準數(shù)值。3#試樣的屈服強度和抗拉強度約為1#試樣的60%。由此可見，全截面皮質層缺陷試樣的屈服強度和抗拉強度均約為無皮質層缺陷試樣屈服強度的60%，而其斷后伸長率低于標準值，僅為無皮質層的一半，屬于不合格品。由此可見皮質層的出現(xiàn)嚴重降低了力學性能，在生產(chǎn)過程中應予以控制。

表3 力學性能試驗對比

2.2 宏觀低倍組織分析

分別對有皮質層缺陷試樣和無皮質層缺陷試樣進行金相低倍組織檢驗，檢測結果如圖2所示。試樣編號為1#、2#、3#?？蛻魠f(xié)議具體標準要求見表4，對腐蝕后的型材進行檢驗。

表4 型材低倍組織試樣上的粗晶環(huán)要求

圖2 經(jīng)腐蝕后的型材截面圖

一般而言，這種缺陷出現(xiàn)在擠壓棒材時稱為粗晶環(huán)，出現(xiàn)在擠壓型材時稱為型材粗大晶粒皮層即皮質層。對于此類缺陷首先定性分析其類別，然后根據(jù)標準要求進行定量分析以判定是否超出標準值。本試驗定性1#為無粗大晶粒皮層且無其他缺陷，2#、3#為有粗大晶粒皮層缺陷。具體定量分析根據(jù)表4 要求，確定當型材厚度4＜e≤8 mm（e 為型材厚度）時，若型材粗大晶粒皮層厚度總量超過型材壁厚的一半，屬于不合格制品。該缺陷的存在雖然沒破壞組織的連續(xù)性，但經(jīng)腐蝕后粗大晶粒清晰地顯現(xiàn)在試樣表面和橫截面。粗晶環(huán)深度從尾端向頭端逐漸減小以至完全消失。

2.3 皮質層斷口分析

采用鋁型材壓力試驗機對腐蝕后的試樣進行皮質層集中區(qū)域壓斷試驗。該試驗斷口取樣位置為皮質層集中區(qū)域，皮質層缺陷斷口表面宏觀形態(tài)如圖3所示，并與無缺陷的試樣斷口進行對比。如圖所示，1#斷口組織晶粒細小均勻；2#斷口組織一半組織晶粒細小均勻，一半晶粒粗大且有分層現(xiàn)象；3#斷口組織晶粒粗大均勻，組織不致密?？梢钥闯觯衅べ|層缺陷試樣斷口處為小晶粒聚集在一塊，組織不致密，有的地方無金屬組織填充，斷口呈無韌性分層鋸齒狀，其塑性強度很低。無皮質層缺陷試樣的斷口呈纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂。

圖3 皮質層斷口表面宏觀形態(tài)

圖4 高倍組織晶粒度

2.4 顯微組織分析

對1#、2#、3#試樣進行磨拋，使用蔡司AX10型光學顯微鏡（OM）對擠壓型材樣品進行光學顯微組織觀察，在偏光下進行皮質層（晶粒度）檢測，結果如圖4 所示。根據(jù)圖4 檢測的晶粒尺寸大小，結合計算法得出，1#試樣和宏觀金相斷口檢驗結果一致，組織晶粒細小均勻，2#試樣單個粗大晶粒面積為0.370×0.712=0.263 mm2，3#試樣單個粗大晶粒面積為0.435×1.059=0.461 mm2。晶粒的大小主要取決于單位時間內(nèi)晶核生成的數(shù)目及晶粒長大的速度。3#試樣晶粒面積大于2#晶粒面積，晶粒越粗大，枝晶網(wǎng)絡越稀薄。

2.5 疲勞測試分析

首先把機械加工好的1#、2#、3#試樣用400#的砂紙磨掉工作部分的棱角，使其變得光滑，目的是為了減少殘余應力對試驗結果的影響。然后采用電磁共振疲勞試驗機（Zwick vibrophore 100）進行試驗。試驗結束后，在規(guī)定試驗應力條件下，如果試驗循環(huán)次數(shù)達到大于或等于1×107的要求而未發(fā)生斷裂為合格，否則為不合格。試驗結果的判定如表5所示。

從表5可以看出皮質層對型材疲勞性能有明顯影響，它可使疲勞性能顯著下降或使疲勞性能不合格。

表5 疲勞測試檢驗數(shù)據(jù)

3 結論

粗晶環(huán)產(chǎn)生的原因主要有擠壓變形不均勻、熱處理溫度過高及保溫時間過長、合金化學成分不合理等。對6005A-T6 型材試樣進行檢驗分析后，得出以下結論：

（1）有皮質層缺陷的試樣的屈服強度和抗拉強度均約為無皮質層缺陷試樣的60%，斷后伸長率為無皮質層缺陷試樣的50%。由此可見皮質層的出現(xiàn)嚴重降低了力學性能，在生產(chǎn)過程中應予以控制。

（2）粗晶環(huán)又叫粗大晶粒皮層，該缺陷存在時雖然沒破壞組織的連續(xù)性，但經(jīng)腐蝕后粗大晶粒清晰地顯現(xiàn)在試樣表面和橫截面。粗晶環(huán)深度從尾端向頭端逐漸減小以至完全消失。

（3）有皮質層缺陷試樣斷口處為小晶粒聚集在一塊，組織不致密，有的地方無金屬組織填充，斷口呈無韌性分層鋸齒狀，其塑性強度很低。無皮質層缺陷的試樣斷口呈纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂。晶粒的大小主要取決于單位時間內(nèi)晶核生成的數(shù)目及晶粒長大的速度。晶粒越粗大，枝晶網(wǎng)絡越稀薄。

（4）皮質層對型材疲勞性能有明顯影響，能使疲勞性能顯著下降或使疲勞性能不合格。

通過以上分析，我們可以采取以下有效措施避免皮質層缺陷：保持擠壓筒內(nèi)壁光潔，形成完整的鋁套；減少擠壓時的磨擦力；變形盡可能均勻（控制溫度、速度等）；避免淬火溫度過高；采用多孔模和反擠壓法及靜擠壓法進行擠壓；用淬火-拉拔-時效法組織生產(chǎn)；調(diào)整合金成分，增加再結晶抑制元素；采用較高的溫度擠壓。