6082鋁合金圓管氧化黑線缺陷原因分析

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(qiáng)度、良好的焊接性能和耐腐蝕性，主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸和結(jié)構(gòu)工程工業(yè)，比如高鐵、直升機(jī)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(jìn)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(hù)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(jìn)行了一些研究和探討。郭世杰等人[1]分析認(rèn)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(jìn)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(rèn)為通過加強(qiáng)精煉減少氧化夾雜物可以控制黑線缺陷。陳秀琴[3]認(rèn)為黑線是因該處的金屬與模具棱角等發(fā)生局部強(qiáng)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(rèn)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(xiàn)報(bào)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(shí)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(yàn)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(xué)成分見表1。

表1 6082鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)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(biāo)配能譜儀）進(jìn)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(shí)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(jìn)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(dǎo)電，因此將氧化后的6082 圓管產(chǎn)品采取褪膜處理后再進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(tuán)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(dāng)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(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)殇X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(dǎo)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(jìn)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?yàn)閿D壓筒與擠壓模的共同冷卻作用，使該區(qū)金屬塑性降低、強(qiáng)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(jìn)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(jìn)入產(chǎn)品中。對此采取的預(yù)防措施主要包括以下兩個方面：通過優(yōu)化模具設(shè)計(jì)有效增大死區(qū)的區(qū)域，以減少雜質(zhì)進(jìn)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(jìn)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(shí)際中，采取鋁硅中間合金來添加硅元素并加強(qiáng)精煉和過濾工藝管控后，統(tǒng)計(jì)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(jì)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(tuán)聚的氧化鋁夾雜。

（2）通過采取合適的硅添加劑、加強(qiáng)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。