6005A地鐵鋁型材皮質(zhì)層對(duì)組織及性能的影響

王 宇，石 嬌，劉 歡，曹振華，李鵬偉

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

隨著現(xiàn)代交通工具的快速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。鋁合金制品因其質(zhì)輕、耐腐蝕性好、拉伸性能高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)其型材的大型寬體化[1]。為此鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)[2]。6005A 鋁合金具有中等強(qiáng)度、可焊性和耐腐蝕性優(yōu)良的特點(diǎn)[3-4]，特別是其優(yōu)良的擠壓性能，使其作為車輛用大截面薄壁中空擠壓型材得到了廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用[5-7]。鋁合金擠壓時(shí)制品上會(huì)出現(xiàn)許多表面缺陷，如熱裂紋、縮尾、粗晶環(huán)等，它們會(huì)造成廢次品故需切除掉。粗晶環(huán)會(huì)影響制件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，嚴(yán)重降低合金的可切削性[8]。有些鋁合金的擠壓制品在固溶處理后的低倍試樣上，沿制品周邊形成粗大再結(jié)晶晶粒組織區(qū)，稱為粗晶環(huán)[9]。由于制品外形和加工方式不同，可形成環(huán)狀、弧狀及其他形式的粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的深度從尾端向前端逐漸減小以至完全消失[10]。

粗晶環(huán)的形成機(jī)理是：由熱擠壓在制品表層形成的亞晶區(qū)通過(guò)加熱固溶處理后形成粗大的再結(jié)晶晶粒組織區(qū)；這些粗大的再結(jié)晶晶粒組織區(qū)若出現(xiàn)在擠壓棒材上一般被稱為粗晶環(huán)，若出現(xiàn)在擠壓空心型材上一般被稱為皮質(zhì)層。本文通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)比分析了型材皮質(zhì)層缺陷的金相組織、力學(xué)性能、斷口形貌及疲勞性能，為此類產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)和工藝研發(fā)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選用的是規(guī)格為φ446 mm×1 390 mm的6005A 鋁合金鑄錠，其成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用型材米重20.741 kg/m，其斷面如圖1 所示。通過(guò)75 MN擠壓機(jī)對(duì)6005A-T6試樣進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓工藝見(jiàn)表2。生產(chǎn)工藝流程為鑄錠加熱→擠壓→淬火→拉伸矯直→成品鋸切→人工時(shí)效→驗(yàn)收→交貨。

表1 6005A 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

本試驗(yàn)分別通過(guò)力學(xué)性能、金相檢測(cè)、斷口形貌觀察對(duì)皮質(zhì)層缺陷進(jìn)行分析。

圖1 型材低倍斷面圖

表2 擠壓工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能分析

在同批次6005A-T6 合金有皮質(zhì)層缺陷區(qū)域和無(wú)缺陷同區(qū)域內(nèi)選取試樣，并分別編號(hào)為1#、2#、3#。1#為無(wú)缺陷試樣，2#為1/2 皮質(zhì)層厚度試樣，3#為全截面皮質(zhì)層厚度試樣。使用日本島津AG-X100KN 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。通過(guò)表3 可以看出，1#試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度值，并且斷后伸長(zhǎng)率大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，符合客戶要求。2#、3#試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均低于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。3#試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度約為1#試樣的60%。由此可見(jiàn)，全截面皮質(zhì)層缺陷試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均約為無(wú)皮質(zhì)層缺陷試樣屈服強(qiáng)度的60%，而其斷后伸長(zhǎng)率低于標(biāo)準(zhǔn)值，僅為無(wú)皮質(zhì)層的一半，屬于不合格品。由此可見(jiàn)皮質(zhì)層的出現(xiàn)嚴(yán)重降低了力學(xué)性能，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)予以控制。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比

2.2 宏觀低倍組織分析

分別對(duì)有皮質(zhì)層缺陷試樣和無(wú)皮質(zhì)層缺陷試樣進(jìn)行金相低倍組織檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。試樣編號(hào)為1#、2#、3#?？蛻魠f(xié)議具體標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表4，對(duì)腐蝕后的型材進(jìn)行檢驗(yàn)。

表4 型材低倍組織試樣上的粗晶環(huán)要求

圖2 經(jīng)腐蝕后的型材截面圖

一般而言，這種缺陷出現(xiàn)在擠壓棒材時(shí)稱為粗晶環(huán)，出現(xiàn)在擠壓型材時(shí)稱為型材粗大晶粒皮層即皮質(zhì)層。對(duì)于此類缺陷首先定性分析其類別，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行定量分析以判定是否超出標(biāo)準(zhǔn)值。本試驗(yàn)定性1#為無(wú)粗大晶粒皮層且無(wú)其他缺陷，2#、3#為有粗大晶粒皮層缺陷。具體定量分析根據(jù)表4 要求，確定當(dāng)型材厚度4＜e≤8 mm（e 為型材厚度）時(shí)，若型材粗大晶粒皮層厚度總量超過(guò)型材壁厚的一半，屬于不合格制品。該缺陷的存在雖然沒(méi)破壞組織的連續(xù)性，但經(jīng)腐蝕后粗大晶粒清晰地顯現(xiàn)在試樣表面和橫截面。粗晶環(huán)深度從尾端向頭端逐漸減小以至完全消失。

2.3 皮質(zhì)層斷口分析

采用鋁型材壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行皮質(zhì)層集中區(qū)域壓斷試驗(yàn)。該試驗(yàn)斷口取樣位置為皮質(zhì)層集中區(qū)域，皮質(zhì)層缺陷斷口表面宏觀形態(tài)如圖3所示，并與無(wú)缺陷的試樣斷口進(jìn)行對(duì)比。如圖所示，1#斷口組織晶粒細(xì)小均勻；2#斷口組織一半組織晶粒細(xì)小均勻，一半晶粒粗大且有分層現(xiàn)象；3#斷口組織晶粒粗大均勻，組織不致密?？梢钥闯觯衅べ|(zhì)層缺陷試樣斷口處為小晶粒聚集在一塊，組織不致密，有的地方無(wú)金屬組織填充，斷口呈無(wú)韌性分層鋸齒狀，其塑性強(qiáng)度很低。無(wú)皮質(zhì)層缺陷試樣的斷口呈纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂。

圖3 皮質(zhì)層斷口表面宏觀形態(tài)

圖4 高倍組織晶粒度

2.4 顯微組織分析

對(duì)1#、2#、3#試樣進(jìn)行磨拋，使用蔡司AX10型光學(xué)顯微鏡（OM）對(duì)擠壓型材樣品進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察，在偏光下進(jìn)行皮質(zhì)層（晶粒度）檢測(cè)，結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)圖4 檢測(cè)的晶粒尺寸大小，結(jié)合計(jì)算法得出，1#試樣和宏觀金相斷口檢驗(yàn)結(jié)果一致，組織晶粒細(xì)小均勻，2#試樣單個(gè)粗大晶粒面積為0.370×0.712=0.263 mm2，3#試樣單個(gè)粗大晶粒面積為0.435×1.059=0.461 mm2。晶粒的大小主要取決于單位時(shí)間內(nèi)晶核生成的數(shù)目及晶粒長(zhǎng)大的速度。3#試樣晶粒面積大于2#晶粒面積，晶粒越粗大，枝晶網(wǎng)絡(luò)越稀薄。

2.5 疲勞測(cè)試分析

首先把機(jī)械加工好的1#、2#、3#試樣用400#的砂紙磨掉工作部分的棱角，使其變得光滑，目的是為了減少殘余應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。然后采用電磁共振疲勞試驗(yàn)機(jī)（Zwick vibrophore 100）進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，在規(guī)定試驗(yàn)應(yīng)力條件下，如果試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到大于或等于1×107的要求而未發(fā)生斷裂為合格，否則為不合格。試驗(yàn)結(jié)果的判定如表5所示。

從表5可以看出皮質(zhì)層對(duì)型材疲勞性能有明顯影響，它可使疲勞性能顯著下降或使疲勞性能不合格。

表5 疲勞測(cè)試檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

粗晶環(huán)產(chǎn)生的原因主要有擠壓變形不均勻、熱處理溫度過(guò)高及保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、合金化學(xué)成分不合理等。對(duì)6005A-T6 型材試樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析后，得出以下結(jié)論：

（1）有皮質(zhì)層缺陷的試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均約為無(wú)皮質(zhì)層缺陷試樣的60%，斷后伸長(zhǎng)率為無(wú)皮質(zhì)層缺陷試樣的50%。由此可見(jiàn)皮質(zhì)層的出現(xiàn)嚴(yán)重降低了力學(xué)性能，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)予以控制。

（2）粗晶環(huán)又叫粗大晶粒皮層，該缺陷存在時(shí)雖然沒(méi)破壞組織的連續(xù)性，但經(jīng)腐蝕后粗大晶粒清晰地顯現(xiàn)在試樣表面和橫截面。粗晶環(huán)深度從尾端向頭端逐漸減小以至完全消失。

（3）有皮質(zhì)層缺陷試樣斷口處為小晶粒聚集在一塊，組織不致密，有的地方無(wú)金屬組織填充，斷口呈無(wú)韌性分層鋸齒狀，其塑性強(qiáng)度很低。無(wú)皮質(zhì)層缺陷的試樣斷口呈纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂。晶粒的大小主要取決于單位時(shí)間內(nèi)晶核生成的數(shù)目及晶粒長(zhǎng)大的速度。晶粒越粗大，枝晶網(wǎng)絡(luò)越稀薄。

（4）皮質(zhì)層對(duì)型材疲勞性能有明顯影響，能使疲勞性能顯著下降或使疲勞性能不合格。

通過(guò)以上分析，我們可以采取以下有效措施避免皮質(zhì)層缺陷：保持?jǐn)D壓筒內(nèi)壁光潔，形成完整的鋁套；減少擠壓時(shí)的磨擦力；變形盡可能均勻（控制溫度、速度等）；避免淬火溫度過(guò)高；采用多孔模和反擠壓法及靜擠壓法進(jìn)行擠壓；用淬火-拉拔-時(shí)效法組織生產(chǎn)；調(diào)整合金成分，增加再結(jié)晶抑制元素；采用較高的溫度擠壓。