李其榮，浦儉英，怯喜周，吳桂蘭，袁 鵬，周曉俊

(亞太輕合金南通科技有限公司，江蘇 海安 226600)

Al-Si-Mg-Mn鋁合金由于其具有優(yōu)良的耐磨性、高溫強(qiáng)度和力學(xué)性能較好，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、電子等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。隨著輕量化的發(fā)展，Al-Si-Mg-Mn鋁合金擠壓材作為汽車(chē)車(chē)身重要結(jié)構(gòu)件的用量也越來(lái)越大[1]。然而，Al-Si-Mg-Mn鋁合金擠壓型材進(jìn)行機(jī)加工(打孔)后發(fā)現(xiàn)壁內(nèi)表面有破損，有異物掉落的缺陷。本文作者從成分、顯微組織及EDS能譜分析來(lái)研究缺陷產(chǎn)生的原因[2]。

1 缺陷的形貌和組織

個(gè)別批次的Al-Si-Mg-Mn合金產(chǎn)品經(jīng)過(guò)機(jī)加工(打孔)后孔壁內(nèi)表面出現(xiàn)破損，有異物掉落缺陷，如圖1所示。針對(duì)此缺陷我公司對(duì)其作出如下分析：對(duì)缺陷樣件和正常產(chǎn)品樣件做成分對(duì)比確認(rèn)；堿腐蝕后對(duì)缺陷做體式顯微鏡觀(guān)察；用掃描電鏡對(duì)缺陷做SEM和EDS分析。

圖1 缺陷形貌Fig.1 Defect morphology

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)缺陷樣件和正常產(chǎn)品樣件分別取兩個(gè)點(diǎn)做光譜分析，其化學(xué)成分如表1所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者的成分沒(méi)有明顯差別，均在客戶(hù)所要求的成分范圍內(nèi)，故可以排除成分差異而導(dǎo)致的原因。

表1 缺陷樣件和正常產(chǎn)品樣件的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Component list of defective specimens and normal product specimens(wt/%)

1.2 缺陷形貌分析

采用堿腐蝕溶液對(duì)樣件表面進(jìn)行堿腐蝕后在體式顯微鏡下觀(guān)察缺陷形貌，如圖2所示?？梢钥闯鋈毕萜叫杏跀D壓方向，呈扁橢圓形；缺陷界面連續(xù)、無(wú)毛刺，缺陷尺寸大約為18 mm×2.5 mm。

圖2 缺陷表面的顯微形貌Fig.2 Microscopic morphology of defect surface

圖3為缺陷表面的SEM拼接圖，發(fā)現(xiàn)表面稀疏分布有凸出的顆粒物，并且沿著擠壓方向有破碎的印跡。

圖3 缺陷表面的SEM圖Fig.3 SEM morphology of defect surface

對(duì)缺陷表面局部區(qū)域做EDS分析，區(qū)域1#的成分除了Al外，還有O以及少量的Mg、Mn、Si(如圖4和表3所示)，判斷最表面應(yīng)為該Al-Si-Mg-Mn合金以及Al2O3。

圖4 缺陷表面的EDS檢測(cè)Fig.4 EDS detection of defect surface

表3 區(qū)域1#的EDS元素分析Table 3 EDS element analysis for area 1#

選取缺陷表面其中的一個(gè)顆粒做EDS掃描，區(qū)域2#(如圖4所示)的顆粒物，其成分含有大量的Al和O，還有少量的Cl、Mg、Na(如表4所示)，判斷該顆粒物應(yīng)為Al2O3和堿腐蝕的產(chǎn)物。

表4 區(qū)域2#的EDS元素分析Table 4 EDS element analysis for area 2#

對(duì)缺陷的斷口進(jìn)行SEM觀(guān)察，如圖5所示。從圖中可以看出斷口表面呈現(xiàn)細(xì)小、均勻的韌窩結(jié)構(gòu)，這是典型的塑性材料韌性斷裂的形貌特征。

圖5 缺陷斷口SEM圖Fig.5 SEM morphology of defect fracture

2 缺陷產(chǎn)生的原因

由以上分析可以知該缺陷的主要成分為Al2O3，在擠壓過(guò)程中，其鑄錠表面的氧化皮、油污、塵土及擠壓筒上的其他污染物會(huì)進(jìn)入制品中形成縮尾，然而縮尾會(huì)被切除，故可以認(rèn)為不是縮尾產(chǎn)生的缺陷。缺陷的主要原因是鑄錠本身的問(wèn)題，這主要是由于在熔化和鑄造過(guò)程中，鋁合金熔體表面是與空氣接觸的，并重復(fù)發(fā)生高溫氧化反應(yīng)而形成氧化膜，這些氧化薄膜浮在熔體表面，氧化膜的主要成分為Al2O3，熔點(diǎn)在2 000 ℃以上，不分解且不容易溶于熔體[2-3]。當(dāng)操作不當(dāng)時(shí)，浮在熔體表面的氧化皮會(huì)被卷入熔體內(nèi)，最后留在鑄錠中，形成Al2O3夾雜。鑄錠的質(zhì)量決定著最終擠壓成品的質(zhì)量，鑄錠在熔鑄過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷在后續(xù)的熱處理過(guò)程中很難完全消除。因此在熔體凈化環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)管理，以提高鑄錠的質(zhì)量。為有效控制Al2O3夾雜的來(lái)源，應(yīng)采取如下控制措施：

1)所用原材料及輔助工具必須清潔、無(wú)油污等污染物。

2)做好熔化爐內(nèi)熔體的保護(hù)，防止熔體被氧化，操作人員嚴(yán)格按照工藝卡上的工藝參數(shù)執(zhí)行，比如攪拌時(shí)間、靜置時(shí)間、鑄造溫度等。若熔體的靜置時(shí)問(wèn)超過(guò)工藝規(guī)定的范圍，需重新精煉。

3)澆鑄過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制除氣箱、過(guò)濾箱及模盤(pán)的烘烤時(shí)間，保證模盤(pán)澆鑄液位的平穩(wěn)性。

通過(guò)上述措施的實(shí)施，有效解決了Al-Si-Mg-Mn合金擠壓材氧化物夾雜缺陷的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

1)該Al-Si-Mg-Mn合金產(chǎn)品上的氧化物夾雜平行于擠壓方向，呈扁橢圓截面，大小約為20 mm×2.5 mm，缺陷界面連續(xù)、無(wú)毛刺，其成分為Al2O3。

2)該Al2O3夾雜為熔煉過(guò)程中鋁熔體表面的氧化皮卷入鑄錠中而產(chǎn)生的。

3)為有效控制氧化鋁夾雜的來(lái)源，熔體凈化環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，以提高鑄錠的質(zhì)量。