李飛慶

（安徽鑫鉑鋁業(yè)股份有限公司，天長239300）

0 前言

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

對于在室外惡劣環(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)品表面會出現(xiàn)黑線從而影響產(chǎn)品防護效果和美觀度。為了消除6×× × 系合金產(chǎn)品氧化黑線，國內(nèi)的研究人員對此缺陷的形成原因進行了一些研究和探討。郭世杰等人[1]分析認為產(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]針對水氣對熔煉合金品質(zhì)的影響，分析了水氣造成鑄錠黑線缺陷率偏高的原因，認為通過加強精煉減少氧化夾雜物可以控制黑線缺陷。陳秀琴[3]認為黑線是因該處的金屬與模具棱角等發(fā)生局部強烈摩擦，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報道，國內(nèi)對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，其化學成分見表1。

表1 6082鋁合金的化學成分（質(zhì)量分數(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。

使用的鑄棒長度為640 mm，擠壓成外徑φ70 mm、壁厚6 mm、長度為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，金相顯微鏡的型號為倒置型ZEISS Axio vert.A1；采用蔡司掃描電子顯微鏡（標配能譜儀）進行能譜和形貌分析。

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，且黑線會貫穿整個圓管的擠壓長度。實際檢測發(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6082 成品圓管沿著擠壓方向取樣進行分析，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

由于氧化膜不導電，因此將氧化后的6082 圓管產(chǎn)品采取褪膜處理后再進行掃描電鏡觀察，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，對黑線區(qū)域顆粒進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）分別為對應(yīng)的Al和O元素的面掃描元素分布圖像。對于圖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)進入產(chǎn)品表面，即可有效避免圓管氧化黑線的產(chǎn)生。對此，我們在生產(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）加強精煉和過濾管控；（3）減少擠壓死區(qū)。

3.1 硅元素添加劑對黑線形成的影響

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結(jié)晶硅有時不能溶解，在鑄造時進入鋁棒中，或在擠壓時粘附在模具的工作帶上，對產(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，添加時鋁液溫度控制不當會造成硅劑不溶解。針對此問題，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險，這是因為鋁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致出現(xiàn)氧化黑線的概率。

3.2 精煉和過濾管控對黑線形成的影響

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)對措施如下：精煉時間由30 min增加到40 min；陶瓷過濾板由單級過濾（過濾板目數(shù)級別為40 P）改為雙級（過濾板目數(shù)級別第一級為40 P，第二級為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，又因為擠壓筒與擠壓模的共同冷卻作用，使該區(qū)金屬塑性降低、強度升高不易流動，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)就會進入產(chǎn)品中。對此采取的預防措施主要包括以下兩個方面：通過優(yōu)化模具設(shè)計有效增大死區(qū)的區(qū)域，以減少雜質(zhì)進入制品的概率；另一方面，在擠壓過程中，擠壓筒中心與模具中心應(yīng)控制在同一個中心線上。如果擠壓筒中心與模具中心不在同一個中心線上，那么某一邊的模具進料口距離擠壓筒邊緣會變得更近，使得阻礙表皮金屬流動的死區(qū)減少，表皮金屬就會更加容易流入制品從而形成黑線。

生產(chǎn)實際中，采取鋁硅中間合金來添加硅元素并加強精煉和過濾工藝管控后，統(tǒng)計數(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)計和改善擠壓對中狀況來確保死區(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 顆粒以及團聚的氧化鋁夾雜。

（2）通過采取合適的硅添加劑、加強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。