2A12-T352鋁合金擠壓棒材裂紋產(chǎn)生的原因分析

曹艷偉，遇立敏，徐 坤

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265706)

2A12鋁合金屬于Al-Cu-Mg系高強(qiáng)度變形鋁合金，具有強(qiáng)度高、耐熱性好、切削性能和成形性優(yōu)良、耐損傷等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、機(jī)械制造等各個領(lǐng)域。主要產(chǎn)品包括大型鍛件、板材、擠壓棒材和型材等，飛機(jī)上的骨架零件、蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、鉚釘?shù)攘慵?，建筑與交通車輛的結(jié)構(gòu)件。

我公司為某用戶生產(chǎn)的2A12鋁合金Φ170 mm擠壓棒材為T352狀態(tài)，T352狀態(tài)是指消除固溶處理后的殘余應(yīng)力之后，再進(jìn)行壓縮變形，即固溶處理后進(jìn)行25%的塑性變形再自然時效的一種熱處理狀態(tài)。

我公司供給用戶的2A12-T352鋁合金Φ170 mm擠壓棒材，用戶將直徑170 mm的棒材機(jī)械加工至直徑135 mm,然后對加工后的棒材部分部位進(jìn)行成型加工。加工完成后發(fā)現(xiàn)在工件的外表面存在斷續(xù)的裂紋，裂紋方向與棒材縱向一致。故提出質(zhì)量異議。

為了弄清鋁合金擠壓棒材加工成型后外表面開裂原因，對工件的缺陷部位進(jìn)行了宏觀組織、微觀組織、能譜斷口形貌以及化學(xué)成分分析，以確定缺陷的性質(zhì)和形成原因。

1 外觀形貌和宏觀組織觀察

1.1 工件的生產(chǎn)過程及外觀形貌

2A12-T352鋁合金擠壓棒材的生產(chǎn)過程為：鑄錠進(jìn)廠→模具、鑄錠加熱→擠壓成型→立式淬火爐淬火→成品壓縮變形→自然時效→產(chǎn)品分段鋸切→成品檢驗(yàn)→包裝入庫。然后，客戶將Φ170 mm的棒材機(jī)械加工至Φ135 mm，對棒材部分部位進(jìn)行成型加工(工件形狀如圖1所示)，發(fā)現(xiàn)工件的Φ135 mm直徑處存在裂紋，裂紋沿棒材的縱向呈斷續(xù)分布，但在工件的較小直徑處未見裂紋。

1.2 宏觀組織觀察

將帶有裂紋的工件沿橫截面鋸開，對橫向表面進(jìn)行銑面后，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%的NaOH水溶液中浸泡25 min后光洗，其宏觀組織見圖2。在工件的橫截面低倍試片上，沿周邊存在粗大的再結(jié)晶晶粒區(qū)，即粗晶環(huán)，圖片上粗晶環(huán)深度約3.7 mm。由于棒材的原直徑為170 mm，可知粗晶環(huán)深度約21 mm。在低倍試片的粗晶環(huán)區(qū)有一處明顯的裂紋，裂紋由試片的外表面向內(nèi)部延伸。裂紋在擠壓棒材的粗晶環(huán)區(qū)和細(xì)晶區(qū)的交界處截止。

2 化學(xué)成分分析

對工件的正常區(qū)和裂紋區(qū)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。其中Cu和Mg的含量為化學(xué)法分析的數(shù)據(jù)，其余元素含量為光譜法分析的數(shù)據(jù)。通過對比可知，兩個區(qū)域的化學(xué)元素成分基本相同，可以排除裂紋缺陷處與正常區(qū)的組織之間存在成分偏析的可能。 2A12鋁合金棒材工件的裂紋區(qū)與正常區(qū)的化學(xué)成分均符合GB/T3190-2008中規(guī)定的要求。

表1 2A12鋁合金的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Analysis of chemical compositions of 2A12 aluminum alloys(wt/%)

3 微觀組織觀察

3.1 顯微組織觀察

在工件的裂紋處取高倍試樣，方向分為橫向和縱向，試樣經(jīng)磨拋后經(jīng)低濃度混合酸進(jìn)行浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。圖3、4分別為工件裂紋處橫向和縱向的顯微組織。由圖可知，粗晶環(huán)區(qū)的再結(jié)晶晶粒粗大，已超出GB/T3246.1-2012的最大評級范圍。裂紋位于擠壓棒材的粗晶環(huán)區(qū)，裂紋由邊部向內(nèi)擴(kuò)展，截止于粗晶環(huán)區(qū)與細(xì)晶區(qū)的交界處，裂紋的走向是沿再結(jié)晶晶粒的晶界開裂，屬于熱裂紋。由于2A12鋁合金棒材的熱處理狀態(tài)是T352，裂紋應(yīng)為淬火裂紋。在棒材的顯微組織中未見復(fù)熔共晶球、晶界局部復(fù)熔加寬和晶界復(fù)熔三角形等特征，表明該材料未發(fā)生過燒。

3.2 掃描電子顯微觀察

將棒材工件沿裂紋面斷開觀察其斷口，圖5為缺陷處掃描電鏡的斷口組織圖片, 掃描區(qū)域位于裂紋尖端。圖中的左上角區(qū)域?yàn)樵嚇雨_時，試樣基體斷開形成的正常斷口區(qū)，右下角區(qū)域?yàn)樵剂鸭y掰開后的斷口表面。

由圖5可知，棒材正常斷口區(qū)域存在大量韌窩及撕裂棱，原始裂紋斷口面相對平緩，該斷口區(qū)顏色發(fā)暗，裂紋表面區(qū)域覆蓋有一層氧化層。斷口能譜掃描分析結(jié)果見圖6、7，成分分析結(jié)果見表2。由分析結(jié)果可知，斷口區(qū)域的主要元素是鋁元素，還有少量的氧元素和一些微量金屬元素。

表2 掃描電鏡能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%) Table 2 SEM energy spectrum analysis(wt/%)

綜合上述檢測結(jié)果可知，鋁合金棒材工件的裂紋區(qū)與正常區(qū)的化學(xué)成分均符合GB/T3190-2008的要求，棒材裂紋處的顯微組織中未發(fā)現(xiàn)過燒特征，可排除由過燒造成的淬火開裂。裂紋位于工件的粗晶環(huán)區(qū)，粗晶環(huán)區(qū)的再結(jié)晶晶粒異常粗大，裂紋的走向是沿界開裂，裂紋為淬火裂紋。

4 討 論

用戶加工后的棒材工件外表面存在斷續(xù)的裂紋，由上述試驗(yàn)可知，裂紋為淬火裂紋。材料內(nèi)部存在著較大的內(nèi)應(yīng)力是產(chǎn)生淬火裂紋的主要原因，由于裂紋存在于棒材的粗晶環(huán)區(qū)，所以裂紋的產(chǎn)生也與粗大的再結(jié)晶晶粒有關(guān)。

鋁合金擠壓制品在擠壓過程中發(fā)生不均勻變形，使得外層和內(nèi)層金屬的變形速度不同。由于外層金屬與擠壓筒內(nèi)壁存在摩擦力，外層金屬會產(chǎn)生劇烈剪切變形，其晶格畸變能增大。隨著擠壓過程的進(jìn)行，由制品的頭端到尾端變形程度逐漸增大，剪切變形的區(qū)域也逐漸增大，畸變能增大的區(qū)域也加大。外層金屬畸變能的增加，使得該區(qū)域的再結(jié)晶溫度降低。在隨后的固溶處理時，在擠壓制品的外層周邊會出現(xiàn)粗大的再結(jié)晶晶粒區(qū)，即粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的厚度從制品后端到前端逐漸變薄直至消失。粗晶環(huán)區(qū)的力學(xué)性能低于擠壓制品正常部位細(xì)晶區(qū)的性能，即抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低。

2A12鋁合金是硬鋁合金，為了得到較高強(qiáng)度，淬火時快冷可使固溶體存在大量過飽和的合金元素，時效后可大幅度提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。擠壓棒材在淬火冷卻過程中，由于冷卻強(qiáng)度大，棒材的表層和心部的冷卻速率不一致，使得棒材表層至心部存在溫度梯度，溫度梯度越大，棒材內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也越大，淬火裂紋的敏感性增強(qiáng)。當(dāng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力其強(qiáng)度超過棒材粗晶環(huán)區(qū)的抗拉強(qiáng)度，而低于棒材正常部位細(xì)晶區(qū)的抗拉強(qiáng)度時，就會在粗晶環(huán)區(qū)產(chǎn)生裂紋，裂紋截止于粗、細(xì)晶區(qū)的交界處。金屬材料在高溫條件下，晶界之間的結(jié)合強(qiáng)度相對較弱，因此產(chǎn)生的裂紋是沿著晶界開裂。沿晶開裂的裂紋屬于熱裂紋。在淬火過程中產(chǎn)生的熱裂紋，稱為淬火裂紋。

鋁合金棒材在淬火時選擇適當(dāng)?shù)拇慊鹄鋮s速度和消除擠壓棒材表面的粗晶環(huán)可避免或減少淬火裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié) 論

1)2A12-T352鋁合金擠壓棒材的化學(xué)成分符合GB/T3190-2008的要求。

2)棒材裂紋產(chǎn)生原因是棒材淬火時產(chǎn)生的淬火裂紋。

3)裂紋處的顯微組織未發(fā)現(xiàn)過燒。

4)選擇適當(dāng)?shù)拇慊鹄鋮s速度和消除擠壓棒材的粗晶環(huán)可避免或減少淬火裂紋的產(chǎn)生。