6110A鋁合金鍛件異物缺陷分析

劉兆偉，佟明明，董劉穎，李秋梅，孫 亮

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司, 遼寧 遼陽 111003)

6110A鋁合金是德國(guó)于1996年注冊(cè)的一種高強(qiáng)度Al-Mg-Si-Cu合金，屬于可熱處理強(qiáng)化合金，Al-Mg-Si-Cu合金是在Al-Mg-Si合金基礎(chǔ)上加入Cu和Mn發(fā)展起來的，Mg2Si仍然是該系列合金的主要強(qiáng)化相。6110A鋁合金主要用于鍛造車體零部件，某批次6110A合金棒材鍛造時(shí)，鍛件表層出現(xiàn)異物缺陷，缺陷位于鍛件表面0.3mm處。本文對(duì)其進(jìn)行宏觀表面、低倍組織、高倍組織觀察分析并查找缺陷的產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)方案

某批次6110A合金鍛件表層異物缺陷如圖1所示。試驗(yàn)方案如下：(1)缺陷樣品與非缺陷樣品成分對(duì)比；(2)體式顯微鏡確定缺陷形貌；(3)通過金相(OM)確定觀察缺陷走向，加工流變線，分析缺陷產(chǎn)生機(jī)理；(4)通過SEM觀測(cè)缺陷位置形貌、EDS確定異物成分[1]。

圖1 缺陷示意圖Fig.1 Defect diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 成分檢測(cè)

經(jīng)過對(duì)缺陷樣品和非缺陷樣品進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，兩者無明顯區(qū)別。

表1 缺陷樣品與非缺陷樣品成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 體式顯微形貌

該缺陷位于鍛件上表面和側(cè)面，呈穿透狀。上表面缺陷距離表層約0.3mm。對(duì)缺陷進(jìn)行體式顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)缺陷處呈灰黑色凹陷狀(圖2)。

圖2 缺陷位置體式顯微形貌Fig.2 Microstructure of defect location

2.3 顯微組織分析

對(duì)缺陷進(jìn)行平行于上表面磨拋(圖3(a)(b))，發(fā)現(xiàn)該缺陷呈灰黑色不規(guī)則形狀，且加工流線有沿缺陷變形的痕跡。在黑色缺陷附近存在有大塊的淺灰色具有金屬光澤的物質(zhì)(圖3(c))，并且沿加工方向有破碎的痕跡。

2.4 SEM/EDS分析

在SEM下觀察缺陷及附近位置(圖4)，可見黑色缺陷形狀不規(guī)則，與基本結(jié)合處界限明顯。缺陷周圍存在粗大、有金屬光澤的灰白色化合物，部分化合物尺寸較大，且呈破碎狀。對(duì)黑色物質(zhì)經(jīng)EDS分析，主要含C、O元素；對(duì)灰色塊狀物質(zhì)經(jīng)EDS分析，主要含有Mn、Cr及Ti等元素。

圖3 缺陷位置顯微組織圖Fig.3 Micrograph of defect location

圖4 缺陷位置SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM of defect location

3 結(jié)果分析

灰黑色異物形狀不規(guī)則，且加工流線有沿缺陷變形的痕跡，因此判斷該缺陷產(chǎn)生于鍛造前。對(duì)其進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)含C、O元素，因此判斷黑色物質(zhì)為石墨或潤(rùn)滑油等異物混入基體。

在缺陷處的黑色異物附近伴隨著大塊的淺灰色具有金屬光澤的物質(zhì)，該物質(zhì)符合粗大金屬化合物聚集的特征，該相呈破碎狀。經(jīng)EDS分析，主要含有Mn、Cr及Ti等元素，該化合物是由添加的抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒的元素所組成，但是由于多種原因?qū)е略阼T造過程中形成了粗大金屬化合物。該化合物是難溶相，既硬又脆，無論是熱處理或者變形加工均不能消除，只能在塑性加工變形過程中破碎，該物質(zhì)因與基體硬度不同，在加工時(shí)變形程度不一致，且與基體結(jié)合較弱，加工時(shí)與基體間形成空洞或裂縫。在后續(xù)加工過程中，石墨、潤(rùn)滑油或其他臟污流入表層縫隙中，經(jīng)過高溫氧化后，在表層裂縫處呈灰黑色[2-3]，而內(nèi)層縫隙由于與表面不連通，因此沒有異物流入。

本案例中，粗大金屬化合物造成的縫隙由于異物的流入在表面顯露，但內(nèi)層依然有縫隙存在。生產(chǎn)中，即便粗大化合物沒有顯露在表面，但因破碎孔洞的存在，也會(huì)嚴(yán)重割裂基體，破壞組織連續(xù)性，嚴(yán)重惡化產(chǎn)品的使用性能。

粗大化合物聚集是必須避免的缺陷，它的形成原因主要包括：(1)添加的Mn、Cr、Ti等元素加入過多，導(dǎo)致配比不當(dāng)，過剩的元素聚集形成化合物；(2)原材料質(zhì)量不佳，粗大一次晶含量過高或熔煉過程未充分溶解，鑄造后被保留下來；(3)鑄造工藝不當(dāng)，在化合物更易凝固的低溫區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致化合物聚集長(zhǎng)大。

為了避免該缺陷的產(chǎn)生，可進(jìn)行如下預(yù)防措施：(1)合理控制Mn、Cr、Ti組元含量或比例；(2)使用優(yōu)質(zhì)原材料，尤其中間合金；(3)提高熔煉溫度，保證難熔組元的充分溶解；(4)在保證成型的前提下，盡量提高鑄造溫度和冷卻速率，破壞粗大金屬化合物的生長(zhǎng)條件。

4 結(jié)論

(1)缺陷產(chǎn)生原因。該鍛造缺陷是熔鑄過程中的粗大化合物聚集，在變形量大時(shí)化合物破碎，呈空洞或裂縫存在，部分裂縫延伸至表面，在加工時(shí)石墨或其他臟污雜質(zhì)流入縫隙，經(jīng)高溫氧化后，體現(xiàn)為黑色缺陷。

(2)粗大化合物產(chǎn)生原因。Mn、Cr、Ti等難溶元素加入過多；原材料粗大一次晶含量過高或未充分溶解；鑄造工藝不當(dāng)，低溫長(zhǎng)時(shí)停留，導(dǎo)致化合物聚集生長(zhǎng)。