王 宇,石 嬌,劉 歡,曹振華,李鵬偉
(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼陽111003)
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(zhì)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(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國研究的熱點[2]。6005A 鋁合金具有中等強(qiáng)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(rèn)同和應(yīng)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(xué)性能和表面質(zhì)量,嚴(yán)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(jié)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(jī)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(jié)晶晶粒組織區(qū);這些粗大的再結(jié)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(zhì)層。本文通過試驗,對比分析了型材皮質(zhì)層缺陷的金相組織、力學(xué)性能、斷口形貌及疲勞性能,為此類產(chǎn)品的質(zhì)量檢測和工藝研發(fā)提供實驗數(shù)據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。
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(jī)對6005A-T6試樣進(jìn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)
本試驗分別通過力學(xué)性能、金相檢測、斷口形貌觀察對皮質(zhì)層缺陷進(jìn)行分析。
圖1 型材低倍斷面圖
表2 擠壓工藝參數(shù)
在同批次6005A-T6 合金有皮質(zhì)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(zhì)層厚度試樣,3#為全截面皮質(zhì)層厚度試樣。使用日本島津AG-X100KN 型電子萬能試驗機(jī)對試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測,試驗結(jié)果如表3 所示。通過表3 可以看出,1#試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度值,并且斷后伸長率大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值,符合客戶要求。2#、3#試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。3#試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度約為1#試樣的60%。由此可見,全截面皮質(zhì)層缺陷試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均約為無皮質(zhì)層缺陷試樣屈服強(qiáng)度的60%,而其斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)值,僅為無皮質(zhì)層的一半,屬于不合格品。由此可見皮質(zhì)層的出現(xiàn)嚴(yán)重降低了力學(xué)性能,在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以控制。
表3 力學(xué)性能試驗對比
分別對有皮質(zhì)層缺陷試樣和無皮質(zhì)層缺陷試樣進(jìn)行金相低倍組織檢驗,檢測結(jié)果如圖2所示。試樣編號為1#、2#、3#。客戶協(xié)議具體標(biāo)準(zhǔn)要求見表4,對腐蝕后的型材進(jìn)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(zhì)層。對于此類缺陷首先定性分析其類別,然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行定量分析以判定是否超出標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。
采用鋁型材壓力試驗機(jī)對腐蝕后的試樣進(jìn)行皮質(zhì)層集中區(qū)域壓斷試驗。該試驗斷口取樣位置為皮質(zhì)層集中區(qū)域,皮質(zhì)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(jìn)行對比。如圖所示,1#斷口組織晶粒細(xì)小均勻;2#斷口組織一半組織晶粒細(xì)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?,有皮質(zhì)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(qiáng)度很低。無皮質(zhì)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(zhì)層斷口表面宏觀形態(tài)
圖4 高倍組織晶粒度
對1#、2#、3#試樣進(jìn)行磨拋,使用蔡司AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)對擠壓型材樣品進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察,在偏光下進(jìn)行皮質(zhì)層(晶粒度)檢測,結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)圖4 檢測的晶粒尺寸大小,結(jié)合計算法得出,1#試樣和宏觀金相斷口檢驗結(jié)果一致,組織晶粒細(xì)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(luò)越稀薄。
首先把機(jī)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(yīng)力對試驗結(jié)果的影響。然后采用電磁共振疲勞試驗機(jī)(Zwick vibrophore 100)進(jìn)行試驗。試驗結(jié)束后,在規(guī)定試驗應(yīng)力條件下,如果試驗循環(huán)次數(shù)達(dá)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(jié)果的判定如表5所示。
從表5可以看出皮質(zhì)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)
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(xué)成分不合理等。對6005A-T6 型材試樣進(jìn)行檢驗分析后,得出以下結(jié)論:
(1)有皮質(zhì)層缺陷的試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均約為無皮質(zhì)層缺陷試樣的60%,斷后伸長率為無皮質(zhì)層缺陷試樣的50%。由此可見皮質(zhì)層的出現(xiàn)嚴(yán)重降低了力學(xué)性能,在生產(chǎn)過程中應(yīng)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(zhì)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(qiáng)度很低。無皮質(zhì)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(luò)越稀薄。
(4)皮質(zhì)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(zhì)層缺陷:保持?jǐn)D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(jìn)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(jié)晶抑制元素;采用較高的溫度擠壓。