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        6082鋁合金圓管氧化黑線缺陷原因分析

        2020-11-12 05:33:44李飛慶
        鋁加工 2020年5期
        關(guān)鍵詞:死區(qū)黑線圓管

        李飛慶

        (安徽鑫鉑鋁業(yè)股份有限公司,天長(zhǎng)239300)

        0 前言

        6082 鋁合金是典型的Al-Mg-Si 系鋁合金,具有中等強(qiáng)度、良好的焊接性能和耐腐蝕性,主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸和結(jié)構(gòu)工程工業(yè),比如高鐵、直升機(jī)平臺(tái)、腳手架等,是一種很有發(fā)展前途的鋁合金[1]。

        對(duì)于在室外惡劣環(huán)境下使用的6082 鋁合金管型棒材,往往采取陽極氧化處理在產(chǎn)品表面生成一層致密的氧化膜,防止產(chǎn)品進(jìn)一步被腐蝕,以提高其使用壽命。但陽極氧化后,某些產(chǎn)品表面會(huì)出現(xiàn)黑線從而影響產(chǎn)品防護(hù)效果和美觀度。為了消除6×× × 系合金產(chǎn)品氧化黑線,國內(nèi)的研究人員對(duì)此缺陷的形成原因進(jìn)行了一些研究和探討。郭世杰等人[1]分析認(rèn)為產(chǎn)品表面黑線主要是熔體處理過程中殘留的夾雜物,在擠壓過程中受到剪切作用脫落所致;通過改進(jìn)熔體處理工藝、控制顆粒物種類和含量能夠降低擠壓材黑線缺陷的出現(xiàn)概率。王奕雷[2]針對(duì)水氣對(duì)熔煉合金品質(zhì)的影響,分析了水氣造成鑄錠黑線缺陷率偏高的原因,認(rèn)為通過加強(qiáng)精煉減少氧化夾雜物可以控制黑線缺陷。陳秀琴[3]認(rèn)為黑線是因該處的金屬與模具棱角等發(fā)生局部強(qiáng)烈摩擦,局部變形溫升,發(fā)生再結(jié)晶而引起,黑線與模具結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)較大。宋冰[4]研究了造成材料“黑線”不良的原因,認(rèn)為黑線部位成分與正常部位成分存在差異并提出了消除黑線的措施。

        針對(duì)6082 合金的產(chǎn)品氧化表面黑線缺陷方面,目前尚未看到公開文獻(xiàn)報(bào)道,國內(nèi)對(duì)6×××系合金氧化黑線方面的研究也不多。因此,本文從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā),分析了6082鋁合金圓管表面氧化黑線的形貌和產(chǎn)生原因,提出了消除氧化黑線的有效措施,以期為廣大鋁型材擠壓同行提供有益參考。

        1 材料及檢驗(yàn)方法

        1.1 材料

        采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)規(guī)格為φ254 mm 的6082鋁合金鑄棒,其化學(xué)成分見表1。

        表1 6082鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

        主要鑄造工藝為:鑄造溫度695~710 ℃,鑄造速度90~98 mm/min,鑄造水壓0.06~0.1 MPa。

        使用的鑄棒長(zhǎng)度為640 mm,擠壓成外徑φ70 mm、壁厚6 mm、長(zhǎng)度為12 m的圓管。擠壓工藝參數(shù):鑄棒溫度為500 ℃,溫度梯度為20 ℃,擠壓筒溫度為430 ℃,擠壓速度8 m/min,模具溫度460 ℃,擠壓系數(shù)為41,壓余厚度為35 mm。冷卻采用水箱過水處理。

        1.2 檢驗(yàn)方法

        采取凱勒試劑腐蝕試樣,采用金相顯微鏡觀察晶粒組織,金相顯微鏡的型號(hào)為倒置型ZEISS Axio vert.A1;采用蔡司掃描電子顯微鏡(標(biāo)配能譜儀)進(jìn)行能譜和形貌分析。

        2 表面黑線現(xiàn)象的組織分析

        2.1 表面黑線現(xiàn)象

        6082 圓管氧化后的表面黑線缺陷典型形貌如圖1所示。圓管表面的黑線往往有很多條,且黑線會(huì)貫穿整個(gè)圓管的擠壓長(zhǎng)度。實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn),黑線出現(xiàn)在圓管的具體位置并不固定。

        圖1 6068鋁合金圓管表面黑線

        2.2 晶粒組織分析

        對(duì)6082 成品圓管沿著擠壓方向取樣進(jìn)行分析,從正常區(qū)域和黑線處分別取樣,其晶粒組織如圖2所示。

        圖2 6082鋁合金圓管高倍組織

        可以發(fā)現(xiàn),黑線區(qū)域和正常區(qū)域晶粒的形態(tài)基本一樣,主要是纖維狀組織,其中有部分再結(jié)晶晶粒,但黑線區(qū)域的顆粒物數(shù)量明顯多于正常區(qū)域,且存在較大尺寸的顆粒物。

        2.3 顆粒形貌和成分分析

        由于氧化膜不導(dǎo)電,因此將氧化后的6082 圓管產(chǎn)品采取褪膜處理后再進(jìn)行掃描電鏡觀察,所得的二次電子像如圖3所示??梢悦黠@看出:正常區(qū)域的第二相分布均勻(已被浸蝕),無大顆粒存在;而黑線區(qū)域有多處約20 μm寬度的凹痕,且存在數(shù)量眾多的大顆粒。

        圖3 6082鋁合金圓管表面形態(tài)SEM

        為了探求顆粒的相組成,對(duì)黑線區(qū)域顆粒進(jìn)行了能譜分析和面掃面分析,發(fā)現(xiàn)存在3種類型的顆粒,結(jié)果如圖4所示。

        圖4(a)為黑線缺陷區(qū)域的顆粒A和B的二次電子圖像,圖4(b)和4(c)分別為對(duì)應(yīng)的Si 和Mn 元素的面掃描元素分布圖像。在圖4(a)中A點(diǎn)能譜分析數(shù)據(jù)為:主要元素為O和S i,其含量分別為53.36%和43.74%;而B 顆粒主要元素為O 和Mn,其含量分別為31.47%和34.34%。這說明白色顆粒A為未完全熔解的Si 劑,B顆粒為未熔解充分的Mn 劑。Mn劑容易在雜質(zhì)處偏聚,如果粗大的含硅相減少,相應(yīng)的含Mn 第二相也會(huì)減少。圖4(d)為缺陷區(qū)域顆粒C 的二次電子圖像,圖4(e)和圖4(f)分別為對(duì)應(yīng)的Al和O元素的面掃描元素分布圖像。對(duì)于圖4(d)中的C顆粒,能譜分析顯示:主要元素為O、Al、Si,其含量分別為16.22%、80.49%、1.65%,其余為少量Mg、S、Mn,這意味著團(tuán)聚顆粒為氧化鋁和其它的氧化夾雜。

        3 氧化黑線影響因素和控制措施

        以上組織分析表明,黑線與粗大含硅顆?;蚱渌s質(zhì)相關(guān),因此改善鋁棒內(nèi)部組織質(zhì)量或者避免生產(chǎn)過程中其它雜質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)品表面,即可有效避免圓管氧化黑線的產(chǎn)生。對(duì)此,我們?cè)谏a(chǎn)中采取了以下相應(yīng)的控制措施:(1)將硅劑改為鋁硅中間合金來添加硅元素;(2)加強(qiáng)精煉和過濾管控;(3)減少擠壓死區(qū)。

        3.1 硅元素添加劑對(duì)黑線形成的影響

        合金中硅的添加有直接添加工業(yè)硅、添加速硅和添加鋁硅中間合金三種方法[5]。在通常的溫度下采用直接加硅法時(shí)結(jié)晶硅有時(shí)不能溶解,在鑄造時(shí)進(jìn)入鋁棒中,或在擠壓時(shí)粘附在模具的工作帶上,對(duì)產(chǎn)品表面造成影響。但該添加方法在中小鋁熔煉企業(yè)中應(yīng)用較多。目前,硅劑作為第三代添加劑,有大量用戶將其應(yīng)用于鋁合金中硅元素添加或微量成分調(diào)整。一般硅劑中含硅量≥95%,添加溫度在740 ℃以上,添加時(shí)鋁液溫度控制不當(dāng)會(huì)造成硅劑不溶解。針對(duì)此問題,采取鋁硅中間合金添加法可降低產(chǎn)生不溶解的含硅顆粒的風(fēng)險(xiǎn),這是因?yàn)殇X硅中間合金的溶解溫度為577 ℃,小于690~760 ℃熔煉溫度。減少含硅顆粒的數(shù)量,就減少了因顆粒黏附到模具工作帶上導(dǎo)致出現(xiàn)氧化黑線的概率。

        3.2 精煉和過濾管控對(duì)黑線形成的影響

        鋁熔體中的非金屬夾雜物多數(shù)為氧化物夾雜,鋁與爐氣中的O2、H2O(水汽)、N2等反應(yīng)最終都生成Al2O3和夾雜物,鋁熔體與水汽反應(yīng)如下:

        可見,在一般熔體溫度下,爐料、工具、熔劑、爐墻、爐底和大氣中的水汽都容易反應(yīng)生成氧化鋁[6]。因此需要進(jìn)行良好的精煉處理和管控,盡可能消除氧化鋁等雜質(zhì)的產(chǎn)生。具體的應(yīng)對(duì)措施如下:精煉時(shí)間由30 min增加到40 min;陶瓷過濾板由單級(jí)過濾(過濾板目數(shù)級(jí)別為40 P)改為雙級(jí)(過濾板目數(shù)級(jí)別第一級(jí)為40 P,第二級(jí)為70 P),提升熔鑄過程的雜質(zhì)過濾能力,使得鋁棒中氧化鋁等雜質(zhì)減少,同時(shí)減少氧化物夾雜黏附到鋁管表面產(chǎn)生黑線的可能性。

        3.3 擠壓死區(qū)對(duì)黑線形成的影響

        在擠壓過程中,鑄錠前端受到模具端面摩擦阻力作用,阻礙著部分金屬流動(dòng),又因?yàn)閿D壓筒與擠壓模的共同冷卻作用,使該區(qū)金屬塑性降低、強(qiáng)度升高不易流動(dòng),因而形成前端難變形區(qū)即死區(qū)。死區(qū)具有阻礙鑄棒表面雜質(zhì)、氧化物、偏析瘤進(jìn)入變形區(qū)并流入金屬制品的作用[7]。其具體過程為:擠壓開始,鑄棒表層組織(包括殘留的偏析瘤)在固定擠壓墊前積聚,若死區(qū)足夠大,這些表層組織會(huì)聚集到最后作為壓余來切掉;若死區(qū)過小,則在擠壓開始階段雜質(zhì)就會(huì)進(jìn)入產(chǎn)品中。對(duì)此采取的預(yù)防措施主要包括以下兩個(gè)方面:通過優(yōu)化模具設(shè)計(jì)有效增大死區(qū)的區(qū)域,以減少雜質(zhì)進(jìn)入制品的概率;另一方面,在擠壓過程中,擠壓筒中心與模具中心應(yīng)控制在同一個(gè)中心線上。如果擠壓筒中心與模具中心不在同一個(gè)中心線上,那么某一邊的模具進(jìn)料口距離擠壓筒邊緣會(huì)變得更近,使得阻礙表皮金屬流動(dòng)的死區(qū)減少,表皮金屬就會(huì)更加容易流入制品從而形成黑線。

        生產(chǎn)實(shí)際中,采取鋁硅中間合金來添加硅元素并加強(qiáng)精煉和過濾工藝管控后,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明圓管黑線不良率由10%~15%下降到5%~8%;在改善鋁棒質(zhì)量的基礎(chǔ)上,采取優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和改善擠壓對(duì)中狀況來確保死區(qū)足夠大。這樣,后續(xù)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)圓管產(chǎn)品的氧化黑線缺陷不良率在1%以下,圓管氧化黑線現(xiàn)象得到很好的控制。

        4 結(jié)論

        (1)6082 鋁合金表面氧化黑線部位存在粗大而數(shù)量眾多的含Si、Mn 顆粒以及團(tuán)聚的氧化鋁夾雜。

        (2)通過采取合適的硅添加劑、加強(qiáng)精煉和過濾管控以及減少擠壓死區(qū)等措施,6082 鋁合金表面氧化黑線的不良率得到控制。

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