6xxx系鋁合金擠壓棒材表面氣泡成因分析及解決措施

劉建生，楊 明，王 睿，李延軍，付學(xué)丹，遠(yuǎn)繼才，高 爽，高 彤

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金具有質(zhì)地輕、切削加工性優(yōu)良、外表美觀等特點(diǎn)，隨著輕量化的發(fā)展，在工業(yè)、建筑、汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。其中擠壓棒材產(chǎn)品在鋁合金加工行業(yè)中具有高產(chǎn)量、高成品率、較好的組織均勻性、后續(xù)應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)勢，因而受到各大鋁合金生產(chǎn)廠家的青睞。

然而鋁合金擠壓棒材產(chǎn)品淬火后表面易產(chǎn)生氣泡，影響產(chǎn)品質(zhì)量及成品率。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，鵬自業(yè)等人[1]認(rèn)為7075鋁合金擠壓棒材的表面氣泡是因?yàn)閿D壓過程帶入的氣體和雜質(zhì)造成的，如后續(xù)固溶處理不合適會(huì)促使表面成層缺陷處產(chǎn)生氣泡。王鳳春[2]等人對氣泡的類型進(jìn)行了定義，鋁合金棒材經(jīng)固溶淬火后表面出現(xiàn)氣泡主要分為夾雜氣泡、擠壓分層氣泡和氣體通透性氣泡3類。夾雜氣泡大部分是由于臟物壓入造成的，氣泡尺寸大小不一，內(nèi)表面比較粗糙，顏色比較黑暗。擠壓分層氣泡是由于擠壓產(chǎn)品尾部的粗晶環(huán)區(qū)在淬火過程中產(chǎn)生裂紋，以氣泡的形式表現(xiàn)出來，氣體通透性氣泡是由于擠壓產(chǎn)品內(nèi)部有氣體元素析出所致。劉俊生[3]等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2024鋁合金擠壓棒材表面氣泡屬于氣體通透性氣泡，應(yīng)降低鑄錠中氫含量，以及保證熱處理時(shí)氣氛干燥能有效避免氣泡的產(chǎn)生。劉海江[3]等人研究發(fā)現(xiàn)7075鋁合金厚板表面氣泡是由于鑄錠含氣量較高導(dǎo)致制品表面產(chǎn)生氣泡，應(yīng)對鋁熔體除氣精煉來控制氣泡的產(chǎn)生。

本次實(shí)驗(yàn)采用6xxx系合金成分?jǐn)D壓棒材，選取淬火后表面出現(xiàn)氣泡的產(chǎn)品進(jìn)行掃描電鏡分析，確定氣泡類型；并通過鑄錠熔鑄、模具結(jié)構(gòu)、擠壓生產(chǎn)工藝以及熱處理4個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析氣泡的形成原因，并提出相應(yīng)的控制措施。

1 氣泡形貌及內(nèi)部成分分析

由圖1氣泡宏觀形貌可以看出，擠壓棒材淬火后表面氣泡沿?cái)D壓方向呈橢圓狀、不等距連續(xù)排列，外表面光滑，內(nèi)表面粗糙，大小不一。試驗(yàn)料樣氣泡直徑在1.0mm～5.0mm之間。氣泡的外層與基體分離，氣泡外皮厚度大約為0.2mm～0.4mm，個(gè)別較大氣泡的中心處呈凹陷狀。將氣泡沿表面剖開，內(nèi)部出現(xiàn)黃褐色附著物，采用掃描電鏡對氣泡內(nèi)部組織形貌及成分進(jìn)行檢測，測得各元素含量見表1。

從圖1中微觀形貌可以看出，氣泡內(nèi)部出現(xiàn)凹凸不平的表面隆起，與基體表面形成微小的空腔，呈團(tuán)絮狀聚集在氣泡內(nèi)部，初步認(rèn)為是臟物(含碳有機(jī)物)進(jìn)入基體中，在受到高溫灼燒后產(chǎn)生氣體并膨脹，導(dǎo)致表皮金屬與基體分離，燃燒后的產(chǎn)物附著在微觀斷裂區(qū)形成黃褐色附著物。通過表1對1#～3#位置氣泡內(nèi)部掃描電鏡照片和掃描能譜元素含量分析，可以看出1#～3#位置氣泡內(nèi)部存在黃褐色污漬，3個(gè)位置的C、O元素總含量分別為25%～55%、21%～34%和5%～23%。以上3個(gè)位置氣泡內(nèi)部成分均含有C、O、Na等雜質(zhì)元素，因此6xxx系擠壓棒材固溶淬火后產(chǎn)生的氣泡可判定為夾雜氣泡，雜質(zhì)元素主要由石墨、油污、含碳有機(jī)物等產(chǎn)生。

圖1 擠壓棒材淬火后表面氣泡宏觀形貌及微觀形貌Fig.1 Macroscopic and microscopic appearance of surface bubbles after quenching of extruded bar

位置COMgAlSiNaPFClMnFeNPd1#1點(diǎn)39.7815.8110.98342.4940.6460.328///////2點(diǎn)/65.9640.46532.8130.404/0.354//////3點(diǎn)10.9217.0791.52568.9971.0020.477///////4點(diǎn)15.15310.8921.37169.8481.007//0.699/////2#1點(diǎn)20.459/1.21155.5597.0560.453///9.6305.632//2點(diǎn)20.814/1.09477.3120.780////////3點(diǎn)33.853/0.94652.9370.562///0.362//9.612/3#1點(diǎn)4.4251.0751.76092.0090.731////////2點(diǎn)18.3712.458/75.780/1.373/0.459////1.1543點(diǎn)21.7772.0821.06272.1300.8310.384/0.651////1.083

2 氣泡產(chǎn)生的原因及分析

2.1 鑄錠熔鑄的影響

鑄錠在熔鑄過程中，原材料或工具不潔凈、不干燥等，均會(huì)將雜質(zhì)、空氣中的水蒸氣、氧等帶入鋁熔體中，與鋁反應(yīng)生成氧化物和氫，雖然經(jīng)過除氣處理，但仍有部分氣體滯留在鋁熔體中。在淬火加熱過程中，氫原子以氫氣的形式析出在棒材表面形成氣泡[4]。

本次試驗(yàn)選用99.9%的無回收鋁的精制純鋁鑄造，通過40ppi的陶瓷過濾網(wǎng)過濾，在線精煉及除氣裝置，除去鋁液中的非金屬夾雜、氧化物、氫氣等雜質(zhì)。采用液態(tài)測氫儀在線測氫，氫含量控制在0.20ml/100g以下，擠壓生產(chǎn)前在每根鑄造長棒上取頭尾位置切割定尺棒，進(jìn)行淬火后氣泡檢驗(yàn)。鑄錠淬火試驗(yàn)結(jié)果為，氫含量0.15ml/100g，淬火溫度及保溫時(shí)間為550℃×4h，無氣泡形貌。

2.2 擠壓生產(chǎn)工藝的影響

同一擠壓機(jī)臺(tái)，采用相同模具結(jié)構(gòu)(帶倒流坑)，氫含量控制在0.20ml/100g以下的鑄錠用于擠壓生產(chǎn)，分別選用3種鑄錠(未去皮Φ151mm、去皮后Φ147mm、去皮后Φ153mm)，每擠壓生產(chǎn)完一種規(guī)格鑄錠進(jìn)行一次清筒，保證擠壓筒內(nèi)壁光滑無殘鋁。墩粗壓力設(shè)定值分別為85bar、105bar、125bar。料樣經(jīng)相同固溶制度處理后觀察棒材表面氣泡情況，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同擠壓工藝對棒材表面氣泡形貌的影響

由表2可知，未去皮的鑄錠擠壓棒材表面出現(xiàn)連續(xù)大氣泡，采用去皮棒(去皮量為13mm)并提高墩粗壓力后，氣泡大小逐漸減小，分布形態(tài)由連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)。當(dāng)擠壓筒直徑與鑄錠直徑差進(jìn)一步縮小到7mm，墩粗壓力提高至125bar時(shí)，棒材經(jīng)固溶淬火后表面無氣泡。

2.3 模具結(jié)構(gòu)的影響

此實(shí)驗(yàn)在保證改善氣泡問題最優(yōu)工藝條件下，僅對比模具結(jié)構(gòu)對表面氣泡的影響。分別選用大直徑導(dǎo)流槽和小直徑導(dǎo)流槽2種模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)試驗(yàn)，鑄錠為去皮棒，氫含量0.15ml/100g，試驗(yàn)結(jié)果為，采用大直徑導(dǎo)流槽的模具結(jié)構(gòu)擠壓生產(chǎn)的擠壓棒表面會(huì)產(chǎn)生細(xì)小氣泡，而采用小直徑導(dǎo)流槽模具結(jié)構(gòu)的棒材表面無細(xì)小氣泡。這是因?yàn)樵跀D壓過程中，若模具有導(dǎo)流坑或?qū)Я鞑?，?huì)在其與擠壓筒內(nèi)壁構(gòu)成的拐角處形成金屬“死區(qū)”，小直徑倒流坑死區(qū)大，大直徑倒流坑死區(qū)小，而“死區(qū)”的存在會(huì)阻擋擠壓筒內(nèi)未排除的氣體，和鑄錠表面氧化物、偏析瘤、油污等臟物通過模具卷入棒材表層，對氣泡的形成有一定的抑制作用。因此，對于6xxx系擠壓棒產(chǎn)品應(yīng)采用帶小直徑導(dǎo)流槽的模具結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

2.4 固溶溫度的影響

為確定6xxx系擠壓棒表面產(chǎn)生氣泡的固溶溫度。選取淬火后表面出現(xiàn)氣泡的原始擠壓棒材為試驗(yàn)料樣，將試驗(yàn)料樣均切成500mm長，進(jìn)行固溶熱處理試驗(yàn)，熱處理溫度分別為490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃，保溫時(shí)間為1h。觀察淬火后料樣表面的氣泡情況，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同固溶溫度對鍛造棒表面氣泡形貌的影響

由表3可知，在490℃、500℃、510℃、520℃固溶時(shí)，棒材表面并未出現(xiàn)氣泡，530℃ 固溶時(shí)棒材表面開始出現(xiàn)氣泡。試驗(yàn)料樣在固溶之前表面并無氣泡顯現(xiàn)但會(huì)伴隨成層缺陷，經(jīng)固溶處理后出現(xiàn)氣泡。這是因?yàn)樵跀D壓成型過程中，附著在擠壓工具上的灰塵、油污等雜質(zhì)和未排出的空氣，通過高溫高壓的作用已經(jīng)進(jìn)入棒材表層微小縫隙中，雖然低溫固溶后氣泡未顯現(xiàn)，但已是攜帶了缺陷組織，后經(jīng)高溫固溶，缺陷內(nèi)的有機(jī)物或空氣進(jìn)一步膨脹，超過了鋁合金表層金屬約束極限，最終以氣泡的形式出現(xiàn)在型材表面。

3 結(jié)論

(1)6xxx系鋁合金擠壓棒材淬火后表面形成的連續(xù)的、大小不一、內(nèi)部出現(xiàn)黃褐色附著物的氣泡為夾雜氣泡。

(2)氣泡的形成因素為，鑄錠未去皮或去皮不充分致使鑄錠表層氧化物、偏析瘤、油污等臟物進(jìn)入擠壓棒材表層；墩粗壓力不足致使擠壓生產(chǎn)過程中排氣不充分，未排除的氣體殘留在擠壓筒內(nèi)繼而進(jìn)入擠壓棒材表層；高溫固溶時(shí)，棒材表層內(nèi)雜質(zhì)灼燒產(chǎn)生氣體從而在棒材表面形成氣泡。

(3)為避免氣泡的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量及成品率，對于6xxx系擠壓棒材產(chǎn)品，鑄錠熔鑄時(shí)控制氫含量應(yīng)低于0.20ml/100g。生產(chǎn)過程需注意清潔生產(chǎn)，采用去皮鑄錠，在保證鑄錠加熱膨脹后能進(jìn)入擠壓筒條件下擠壓筒直徑與鑄錠直徑差應(yīng)盡量低，模具設(shè)計(jì)時(shí)減小導(dǎo)流槽直徑，擠壓生產(chǎn)時(shí)適當(dāng)增加墩粗壓力，充分排氣，防止雜質(zhì)、臟物及氣體進(jìn)入制品中導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生。

(4)實(shí)驗(yàn)表明，固溶溫度在530℃左右，隱藏在棒材表面缺陷組織中的雜質(zhì)開始灼燒膨脹。所以，驗(yàn)證棒材內(nèi)部是否存在夾雜類氣泡缺陷，可將棒材加熱到530℃以上進(jìn)行。