6A01鋁合金亮條缺陷對車體型材質(zhì)量的影響

馬 旭，程雪婷，程仁寨，王興瑞，鄭卓陽

(1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司，煙臺(tái)265700；2.煙臺(tái)南山學(xué)院，煙臺(tái)265700）

0 前言

近年來我國高速列車大量采用鋁合金材料進(jìn)行生產(chǎn)。在生產(chǎn)城市軌道車輛用大型擠壓型材方面，由于Al-Mg-Si 合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和高疲勞性能而成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)[1]。但是在鋁合金型材擠壓過程中，鋁合金型材表面沿縱向常會(huì)出現(xiàn)一條寬窄不一的白亮條紋，氧化著色后就會(huì)出現(xiàn)色淺或不上色的帶狀色差現(xiàn)象，即亮條缺陷。這些條紋較周邊色淺，而銀白色鋁合金型材上的條紋呈亮條狀。條紋主要出現(xiàn)在壁厚突變部位、薄壁肋條部位和分流模焊縫部位[2]，嚴(yán)重影響了鋁合金型材的表面質(zhì)量，使成品率下降、生產(chǎn)成本升高。研究者通過研究工藝參數(shù)對6063 鋁型材表面亮條的影響，發(fā)現(xiàn)擠壓溫度過高或者擠壓速度過快均會(huì)導(dǎo)致金屬與模具之間摩擦加大，熱效應(yīng)和金屬流動(dòng)不均勻，致使型材組織結(jié)構(gòu)也不均勻，特別是型材壁厚有變化時(shí)，亮條更明顯。型材表面亮條除了與鑄棒質(zhì)量、工藝參數(shù)有關(guān)，還與模具的設(shè)計(jì)、維護(hù)和管理有重大關(guān)系[3-5]。

在鋁合金型材上形成條紋的原因很多，主要有以下幾種：模具質(zhì)量（模具設(shè)計(jì)及模具加工工藝）、鑄錠質(zhì)量、擠壓工藝、氧化工藝以及型材斷面的幾何形狀。而模具設(shè)計(jì)及?？坠ぷ鲙П砻婀鉂嵍仍跀D壓鋁合金型材的最終質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用。故本文從亮條現(xiàn)象及特點(diǎn)、產(chǎn)生原因等方面進(jìn)行研究，通過對型材亮條區(qū)域和非亮條區(qū)域表面粗糙度、硬度、室溫拉伸力學(xué)性能和高倍組織的對比，分析亮條對型材性能的影響，并側(cè)重分析了模具設(shè)計(jì)及模具加工對鋁合金型材生產(chǎn)過程中產(chǎn)生條紋的影響。

1 亮條缺陷的特點(diǎn)

人們把鋁合金熱擠壓型材表面出現(xiàn)的平行于擠壓方向的較光亮或者較暗的線痕稱作為亮條。從鋁擠壓過程變形特點(diǎn)分析，型材各處金屬變形程度不均勻，與模具產(chǎn)生摩擦效果不同，導(dǎo)致各處熱效應(yīng)不相同是亮條產(chǎn)生的根本原因。亮條處溫度高，為晶粒的優(yōu)先析出并長大提供了條件。經(jīng)過對大量型材表面亮條現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)，該缺陷主要產(chǎn)生在兩個(gè)位置：焊合線位置和型材壁厚變化位置。

2 亮條缺陷產(chǎn)生原因

車體型材表面沿?cái)D壓方向出現(xiàn)的顏色深淺不一、顏色反差很大、有手感或無手感的密集機(jī)械條紋，被稱為擠壓“亮條”缺陷，主要出現(xiàn)在壁厚變化位置以及型材焊合線的地方（見圖1）。有資料證明，在正向擠壓鋁合金時(shí)，在壓力和高溫等作用下，鋁錠易與模具產(chǎn)生金屬顆粒粘著，由于剪切流動(dòng)，出現(xiàn)金屬顆粒粘著與脫落。金屬顆粒粘著的過程必然導(dǎo)致型材表面粘著顆粒的撕裂擦傷。因此，“亮條”缺陷其實(shí)就是鋁合金與模具工作帶之間強(qiáng)烈摩擦所產(chǎn)生的密集“摩擦紋”。

在鋁擠壓型材截面壁厚變化處，因壁厚不同導(dǎo)致金屬流動(dòng)不一致，故晶粒容易產(chǎn)生撕裂，從而形成組織條紋。壁厚不同處金屬變形容易加劇，金屬內(nèi)部變形儲(chǔ)能增加，使再結(jié)晶晶粒較正常處偏大。

鑄棒在強(qiáng)大的擠壓力作用下被模具的分流孔分割成幾股金屬流，在高溫、高壓和高真空的焊合室中重新焊合，然后在工作帶上成形，流出?？仔纬煽招男筒?。焊縫處金屬在分流橋下流動(dòng)且變形不均勻，容易與焊合室死區(qū)的金屬發(fā)生摩擦，形成的焊縫容易產(chǎn)生亮條。

圖1 型材表面亮條

鋁合金鑄棒采用半連續(xù)鑄造方式生產(chǎn)，由于其工藝特點(diǎn)，鋁鑄棒存在從圓心到外周的成分與組織的偏析以及非金屬夾渣等缺陷，故在擠壓過程中很容易產(chǎn)生亮條；當(dāng)鋁錠通過?？讜r(shí)以極大的力壓向工作帶表面，并從工作帶表面滑出時(shí)也易產(chǎn)生因摩擦力造成的“摩擦紋”狀亮條缺陷。

從上述分析可知，亮條與鑄棒質(zhì)量、擠壓工藝控制、模具設(shè)計(jì)和管理以及擠壓機(jī)臺(tái)等因素有關(guān)，故本文就從這些影響因素著手，逐一排查。

3 亮條缺陷原因確定及改善措施

3.1 鑄棒成分與質(zhì)量

在熔鑄過程中，要嚴(yán)格控制合金元素的成分，特別是Mg、Si 和Fe 元素，且調(diào)整成分比例，使鑄棒成分與組織均勻。由于6A01 合金化學(xué)元素的含量范圍比較大，故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同的用途來合理配置各種元素的范圍。Si、Mg、Fe 的合理配置對型材表面質(zhì)量和力學(xué)性能有很大的影響，尤其是Mg、Si 的總量和比例至關(guān)重要。根據(jù)多年的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，要得到理想的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，按不同的用途，將Mg、Si元素的總量控制在0.85%～1.0%比較合適。確定Mg、Si的總量后，需從Mg/Si的比值和過剩Si 及Fe 元素含量來分析確定Mg、Si、Fe 的合理分配。Mg、Si 在6063 成分中主要形成Mg2Si 強(qiáng)化相，其比例A=（Mg 的原子）×2/（Si的原子量）=24.81×2/28.09=1.73。當(dāng)A＞1.73（即Mg 元素過剩）時(shí)將增大有效結(jié)晶溫度區(qū)間，增加鑄錠的裂紋傾向。因此我們一般要控制Si 元素過剩。過剩Si 含量的確定需結(jié)合合金中Fe 元素的含量綜合考慮。我們可按照過剩Si 含量=（合金中Si的含量）-（Mg2Si 中Si 的含量）-（合金中（Fe＋Mn）元素總含量的1/4）來計(jì)算。一般我們使用的99.7%純鋁錠中Fe的含量為0.20%左右，為使過剩Si與Fe形成α-Fe3Si2Al12及β-Fe2Si2Al9相（其顯微硬度相對較低），而不形成FeAl3和顯微硬度更高的塊狀Si，一般要控制過剩Si的含量，這樣在擠壓過程中合金跟工作帶的摩擦減少，表面條紋也就相對減少。熔煉和鑄造時(shí)加入Al-Ti-B細(xì)化劑可有效細(xì)化鑄棒的晶粒度，降低金屬與模具的摩擦系數(shù)，減少型材組織的不均勻性，降低硬度（6A01/6005A≤42HB）。擠壓時(shí)，在線淬火不易析出Mg2Si 相，可在一定程度上減少鋁型材表面亮條的產(chǎn)生。

3.2 擠壓工藝控制

根據(jù)正向擠壓時(shí)金屬的流動(dòng)性原理，在擠壓終了階段，縱向上的金屬供應(yīng)體積大大減少，錠坯后端的金屬迅速改變其應(yīng)力狀態(tài)，克服擠壓墊片的摩擦作用，產(chǎn)生徑向流動(dòng)，流入制品。一般可以通過設(shè)定合理的壓余來剪去這部分帶有表皮氧化物的金屬。如果壓余設(shè)定太薄，表皮氧化物或硬質(zhì)物集結(jié)在工作帶上，形成表面條紋等缺陷。擠壓易出現(xiàn)亮條缺陷的型材時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低擠壓速度，保持一定恰當(dāng)?shù)蔫T棒溫度，保證焊合室內(nèi)金屬有足夠的焊合時(shí)間和充分的固溶、擴(kuò)散所需的熱量，保持高溫低速。提高錠溫至530～540 ℃，桿速降為0.5～0.6 mm/s 時(shí)，亮條依然改善不明顯。這表明通過增加金屬流動(dòng)來減少工作帶摩擦的方式，效果不明顯。

3.3 更換擠壓機(jī)臺(tái)

采用不同擠壓機(jī)生產(chǎn)，其工藝參數(shù)見表1。采用小機(jī)臺(tái)時(shí)亮條改善明顯，表明更換小機(jī)臺(tái)方式（即減少擠壓力、擠壓比）可有效減少亮條形成。

表1 不同擠壓機(jī)生產(chǎn)工藝參數(shù)

采用便攜式表面粗糙度儀測量不同機(jī)臺(tái)生產(chǎn)出的鋁合金表面粗糙度，取樣長度為0.25 μm。結(jié)果表明，82 MN 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的型材亮條區(qū)域Ra 值范圍為0.68～0.53，而72 MN 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的型材亮條區(qū)域Ra 值范圍為0.3～0.33。圖2 示出了這兩種機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的型材表面效果。

圖2 不同機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的型材

3.4 模具維修

模具合格與否不僅決定擠壓型材的幾何尺寸、形位公差是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，而且還決定型材的表面質(zhì)量是否合格。型材生產(chǎn)組織缺陷與模具結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，易產(chǎn)生亮帶（線痕）缺陷的型材在生產(chǎn)時(shí)都是用分流比或?qū)Я鞅容^小的模具擠壓的，而且擠壓比較小。因此，設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)對下述問題予以考慮：（1）加大焊合室的容積：設(shè)計(jì)分流組合模時(shí)，在模具強(qiáng)度、剛度許可條件下，盡量加大分流比和焊合室的深度，以提高金屬的靜液壓力，使經(jīng)過分流變形的鋁充分熔合、焊接；（2）改善分流橋結(jié)構(gòu)：矩形倒角截面及水滴形截面形狀的分流橋有利于金屬的流動(dòng)與焊合；（3）合理布置?？祝罕M量將焊縫設(shè)計(jì)在型材的非裝飾面上，以回避缺陷的外露。但采用這一方法有一定的局限性，過分強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)會(huì)影響模具的合格率；（4）改善工作帶的結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)模具工作帶長度時(shí)，盡量減小落差，而且長短變化要平緩。加工模具時(shí)，要保證模具上模模芯到分流橋的過渡圓角、焊合室過渡圓角、分流孔圓角等圓滑，避免硬拐角、死拐角及棱角的存在。尤其是模具組裝后，人工打磨模具過渡部分是模具制造過程中一項(xiàng)重要的精整工序。

本次試驗(yàn)以模具工作帶維修為主，模具材質(zhì)、模具加熱等按原有工藝執(zhí)行。在模具設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)榭涨卉圀w型材的內(nèi)筋交匯處壁厚＞其他位置，為了平衡流速，一般情況下，上下模內(nèi)筋交匯處的工作帶長度＞其他位置，摩擦面積增加。又因?yàn)榻?jīng)過長時(shí)間擠壓，工作帶磨損，沿?cái)D壓方向“鼓肚”形成阻流角，所以直接導(dǎo)致內(nèi)筋交匯處的亮條明顯比其他地方嚴(yán)重。

基于以上原因分析，對出現(xiàn)亮條的對應(yīng)工作帶進(jìn)行多次試驗(yàn)，如調(diào)整模具內(nèi)筋交匯處讓工作帶與其他位置等長，減少摩擦面積；在模具內(nèi)筋交匯處的下模處增加阻流塊，以便平衡供流；對模具進(jìn)行氮化處理，以增加模具硬度。通過這些模具調(diào)整后，型材亮條缺陷明顯減輕，如圖3所示。

圖3 模具調(diào)整前后生產(chǎn)的型材

4 結(jié)論

(1)調(diào)整擠壓工藝和鑄棒質(zhì)量對型材亮條缺陷改善不明顯。

（2） 對比82 MN 和72 MN 擠壓機(jī)生產(chǎn)的型材，72 MN擠壓機(jī)生產(chǎn)的型材的亮條缺陷有明顯改善。

（3） 調(diào)整模具工作帶以及對模具氮化后，所生產(chǎn)的型材有效地避免了亮條缺陷的出現(xiàn)。