7A09鋁合金型材表面裂紋產(chǎn)生的原因分析

李東東，宓 莎，徐秋發(fā)，于 雷，李 煦，厲曉笑，劉 泉，楊瑞青

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

7A09鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，是我國(guó)自行研制的高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)材料，由于其具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞性能，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。

某公司生產(chǎn)的7A09鋁合金T6狀態(tài)擠壓型材，用戶在堿洗和陽(yáng)極氧化后發(fā)現(xiàn)有6批次中部分型材表面存在裂紋現(xiàn)象，每批次約有30%的型材表面存在裂紋缺陷，每根型材裂紋缺陷的位置及形貌相似，用戶認(rèn)為是某公司提供的鋁合金型材存在表面質(zhì)量問(wèn)題。為了弄清這些型材表面缺陷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因，本文作者對(duì)7A09鋁合金擠壓型材進(jìn)行了宏觀形貌、金相組織、微觀形貌的觀察及對(duì)生產(chǎn)流程的復(fù)查。

1 裂紋形貌

選取表面存在裂紋缺陷的7A09-T6鋁合金擠壓型材作為分析對(duì)象，型材呈“幾”字形，壁厚為2 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。利用體視顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察型材表面裂紋形貌及金相組織；采用掃描電鏡及所配置的EDS能譜儀觀察分析裂紋的微觀形貌及成分。

表1 7A09鋁合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 7A09 aluminum alloy(wt/%)

1.1 宏觀形貌

圖1是型材表面裂紋缺陷的宏觀形貌。由圖1可見(jiàn)，型材上表面靠近拐角區(qū)域呈凸起現(xiàn)象，在凸起處可見(jiàn)縱向裂紋。在體視顯微鏡下觀察，裂紋位于上表面距邊緣約3 mm位置，呈斷續(xù)分布，最長(zhǎng)裂紋尺寸約為4.7 cm。

圖1 裂紋形貌Fig.1 Macroscopic morphologies of cracks

1.2 微觀形貌

截取型材裂紋部位的試樣置于掃描電鏡下觀察，其微觀形貌見(jiàn)圖2所示。裂紋呈彎曲形狀，進(jìn)一步放大觀察，裂紋的斷面呈剪切韌窩形貌。

圖2 裂紋微觀形貌Fig.2 Micromorphology of cracks

1.3 斷口形貌

采用機(jī)械方法將零件裂紋打開(kāi)進(jìn)行觀察，其形貌見(jiàn)圖3。

圖3 裂紋斷口形貌Fig.3 Fracture morphologies of crack

由圖3a可以看到，裂紋斷面呈斜斷口(與表面約呈35°)，表面有金屬光澤，未見(jiàn)明顯的腐蝕和機(jī)械損傷痕跡，源區(qū)位于表面。從圖3b的斷口微觀形貌中可以看到，打開(kāi)后的裂紋斷口形貌呈剪切韌窩形貌。以上特征表明，型材表面裂紋的開(kāi)裂模式為塑性開(kāi)裂。對(duì)斷口進(jìn)行能譜分析，主要含有Al、Mg、Cu、Zn元素，其含量符合7A09鋁合金的。

1.4 組織觀察

從型材的裂紋位置截取試樣進(jìn)行金相分析，其組織見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，試樣表面存在粗晶環(huán)，粗晶環(huán)最深區(qū)域位于凸臺(tái)兩個(gè)拐角位置，深約1.3 mm，顯微組織未見(jiàn)過(guò)燒缺陷，裂紋從表面起裂，沿厚度方向擴(kuò)展，裂紋深度約0.1 mm。

圖4 型材裂紋位置的金相組織Fig.4 Microstructure of profile at cracking

2 分析與討論

從以上的能譜及金相分析結(jié)果可知，7A09鋁合金型材的成分和組織未見(jiàn)異常，裂紋區(qū)域未見(jiàn)明顯的組織缺陷。型材表面裂紋位于上表面凸起處，裂紋斷口源區(qū)位于外表面，整個(gè)斷面均呈剪切韌窩形貌，其開(kāi)裂模式為塑性開(kāi)裂。根據(jù)型材生產(chǎn)過(guò)程分析，裂紋應(yīng)是原材料生產(chǎn)過(guò)程中形成的。

該型材的生產(chǎn)工藝流程是：配料→熔煉、鑄造→鑄錠機(jī)加工→均勻化退火→鑄錠檢驗(yàn)→擠壓→固溶、淬火熱處理→張力矯直→輥式矯直→人工時(shí)效→成品檢驗(yàn)→包裝交貨。

根據(jù)裂紋形貌及型材生產(chǎn)過(guò)程可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行分析，鋁合金擠壓材的裂紋缺陷主要有擠壓裂紋、淬火裂紋、矯直過(guò)程導(dǎo)致的應(yīng)力裂紋。擠壓裂紋為橫向裂紋，屬于熱裂紋，裂紋形貌、性質(zhì)與本文中的型材縱向、冷裂紋特征不一致，故可以排除擠壓裂紋。淬火裂紋是淬火過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋，金相形貌以熱裂紋為主，存在明顯沿晶開(kāi)裂特征，與本文中的冷裂紋形貌區(qū)別明顯，故也可排除。

人工時(shí)效過(guò)程隨保溫延長(zhǎng)，型材強(qiáng)度逐步升高，同時(shí)殘余應(yīng)力逐漸降低，與產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂的機(jī)制其方向恰好相反，所以人工時(shí)效工序產(chǎn)生的裂紋也可排除。

人工時(shí)效前的輥式矯直工序，是采用縱向推進(jìn)，矯輥不同方位對(duì)其加壓進(jìn)行型材截面尺寸矯正，這是唯一可產(chǎn)生該類裂紋的生產(chǎn)工序。

7A09鋁合金型材出現(xiàn)裂紋后，生產(chǎn)廠立即組織人員對(duì)產(chǎn)生裂紋的6批次型材及其他批次型材的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了全面復(fù)查。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有裂紋的批次型材與無(wú)裂紋的批次型材的生產(chǎn)過(guò)程存在兩處不同：一是有裂紋批次的型材淬火熱處理與輥式矯直間隔時(shí)間偏長(zhǎng)；二是有裂紋批次的型材存在部分型材二次輥式矯直。

7A09鋁合金屬超強(qiáng)鋁合金，擠壓及淬火熱處理變形較為嚴(yán)重，為保證型材外形尺寸精度，實(shí)際生產(chǎn)中，全部要進(jìn)行輥式矯直。7A09鋁合金在淬火熱處理后具有自然時(shí)效效應(yīng)，隨淬火處理后停放時(shí)間的延長(zhǎng)，型材的強(qiáng)度會(huì)逐步升高，尤其經(jīng)過(guò)1周的自然時(shí)效過(guò)程，型材強(qiáng)度明顯升高[4]。強(qiáng)度升高，矯直難度增大，一次輥式矯直后，部分型材無(wú)法達(dá)到尺寸精度要求，需要進(jìn)行二次輥式矯直。同時(shí)，輥式矯直過(guò)程為冷加工，輥式矯直的輥壓過(guò)程會(huì)造成局部加工硬化，強(qiáng)度進(jìn)一步升高。因此，當(dāng)型材強(qiáng)度升高后，在二次輥式矯直過(guò)程中，需通過(guò)加大輥間過(guò)盈度方式進(jìn)一步加大矯直力，進(jìn)行二次輥矯。在進(jìn)行收角度處理時(shí)，由于內(nèi)腔頂輥與其余兩輥同時(shí)作用，產(chǎn)生過(guò)大拉應(yīng)力，容易在型材上表面形成裂紋。裂紋一旦產(chǎn)生，會(huì)在后續(xù)的擴(kuò)并口、壓間隙、壓爪板過(guò)程中擴(kuò)展。

由于該型材經(jīng)過(guò)固溶高溫處理后，表面因氧化形成暗黑色氧化膜，并且在輥式矯直過(guò)程為防止型材表面擦劃傷，需要對(duì)矯直輥涂油潤(rùn)滑，不可避免造成型材表面存在潤(rùn)滑油殘留，致使裂紋處被殘留潤(rùn)滑油填充和覆蓋，所以雖然型材經(jīng)100%表面檢驗(yàn)，但卻有個(gè)別次品未能有效檢出，造成裂紋產(chǎn)品出廠。因此，為了能有效檢出表面有裂紋的產(chǎn)品，和用戶溝通后對(duì)型材成品檢驗(yàn)前進(jìn)行蝕洗處理，再100%進(jìn)行表面檢查，在后續(xù)的供貨 3 批次型材中，客戶反饋再未出現(xiàn)過(guò)表面裂紋現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)7A09鋁合金型材表面裂紋的觀察與分析認(rèn)為：

1)型材表面的裂紋是起源于外表面，為應(yīng)力開(kāi)裂，產(chǎn)生的主要原因是由于在二次輥矯過(guò)程中，矯直力過(guò)大造成型材局部應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂。

2)淬火熱處理與輥式矯直間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，是造成部分型材二次輥式矯直開(kāi)裂的誘因。

3)型材出廠前進(jìn)行蝕洗處理可在成品檢驗(yàn)時(shí)有效檢出不合格的產(chǎn)品，從而避免有表面裂紋的產(chǎn)品流入用戶。