6082鋁合金擠壓棒材“線條”分析

周廣宇，劉旭東，劉 迪，尚 文，王寶勇

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓阶非蟾咂焚|(zhì)生活，汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代化物流行業(yè)及提高生活質(zhì)量的重要工具，而面對(duì)世界能源的日趨緊張，輕量化汽車成為該行業(yè)共同努力的目標(biāo)，鋁合金作為汽車輕量化的首選材料，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸提高[1，2]。其中汽車用鋁合金鍛件多選用可熱處理強(qiáng)化的6xxx系鋁合金，可應(yīng)用在汽車散熱系統(tǒng)、車身、底盤等部位[3]。

6xxx鋁合金主要以Mg和Si為主要合金元素，并以Mg2Si為強(qiáng)化相的鋁合金，具有中等強(qiáng)度、耐腐蝕性高、焊接性能好的諸多優(yōu)點(diǎn)[3-5]。6082合金就是典型的可熱處理6xxx系鋁合金，屬于中等強(qiáng)度的Al-Mg-Si系合金，具備良好的淬透性，被廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通、建筑及工業(yè)等領(lǐng)域[6，7]。

我公司近期在生產(chǎn)汽車懸臂上承重結(jié)構(gòu)件的過程中，合金經(jīng)擠壓變形、離線淬火后，在棒材截面邊緣區(qū)域發(fā)現(xiàn)有不明“線條”存在，對(duì)于該“線條”的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。為了判斷該線條組織是否為缺陷并確定該線條能否對(duì)后期鍛造過程的表面和性能產(chǎn)生影響，本文以汽車懸臂上承重件所用6082合金擠壓型材為研究對(duì)象，對(duì)其在離線固溶淬火后有無線條狀區(qū)域進(jìn)行力學(xué)性能檢測，來研究線條區(qū)域?qū)辖鹆W(xué)性能的影響，并結(jié)合X射線熒光光譜儀、金相顯微鏡觀察研究不同區(qū)域內(nèi)晶粒的形貌和尺寸、第二相的析出情況以及成分變化，分析該“線條”出現(xiàn)的原因，為改進(jìn)合理的擠壓工藝，改善和消除該“線條”以及后續(xù)汽車產(chǎn)品擠壓工藝研究提供相關(guān)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與過程

實(shí)驗(yàn)選用規(guī)格為Φ70mm的6082合金擠壓淬火棒材為主要材料，使用7500T擠壓機(jī)生產(chǎn)，擠壓比為43.2，擠壓后經(jīng)離線淬火，其合金成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

擠壓淬火后的6082合金棒材進(jìn)行宏觀低倍檢測，將試樣置于15%～25%的NaOH溶液中浸泡25min～35min，清水洗凈后置于20%～30%的HNO3酸洗，最后流水洗凈后1h內(nèi)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圖1(a)中A區(qū)域存在“線條”，宏觀放大如圖1(b)。

圖1 邊緣部位“線條”位置

將離線淬火后的棒材進(jìn)行185℃×4.5h人工時(shí)效后，在 “線條”區(qū)域A和正常區(qū)域B(圖1(a))分別進(jìn)行三次維氏硬度檢測后取平均值，并A、B兩區(qū)域內(nèi)分別取力學(xué)試樣(圖2)，以12mm/min的拉伸速度進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試，研究“線條”組織對(duì)合金性能的影響。

圖2 室溫拉伸力學(xué)試樣

取邊緣部“線條”附近區(qū)域(圖1(b)的C區(qū)域，線條如圖中箭頭所示)作為金相組織觀察試樣，先后使用400#、800#、1500#砂紙進(jìn)行研磨，選用粒度為2.5μm和0.5μm的研磨膏先后進(jìn)行粗拋和精拋，最后使用10%NaOH的腐蝕液腐蝕4min。利用蔡司AX10萬能研究級(jí)倒置式材料顯微鏡觀察晶粒的形貌、尺寸以及第二相分布情況。利用SSX-550型掃描電子顯微鏡進(jìn)行成分分析，研究有無“線條”區(qū)域成分的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 “線條”金相組織形貌

“線條”附近的金相組織如圖3所示。圖3(a)中c處線條組織，觀察可知，“線條”區(qū)域的厚度約100μm，距離外圈部位約為466.99μm。圖3(b)為第二相分布情況，a、b、c分別為近邊緣組織，近線條處組織和線條處的組織。由圖可知合金經(jīng)過離線的固溶淬火后，基體中仍有大量的第二相且不同區(qū)域內(nèi)第二相密度不同，a、b、c三區(qū)域第二相析出密度逐漸降低，但a、b、c處組織連續(xù)分布無分層現(xiàn)象。由于微觀組織中第二相分布及數(shù)量的細(xì)微差別，導(dǎo)致棒材截面對(duì)光線反射的不同，造成視覺宏觀觀察截面為“線條”。

圖3 邊緣部位“線條”組織和第二相分布情況

“線條”區(qū)域附近的高倍形貌如圖4所示?？梢钥闯鯾、c處組織晶粒形貌明顯不同，但沒有分層和裂紋，c處晶粒呈條狀，且含有較大的第二相晶粒數(shù)量較多，為方便清晰觀察，將試樣經(jīng)過陽極覆膜后，通過偏振光對(duì)偏析層附近組織進(jìn)行晶粒度觀察。

圖4 邊緣部位的晶粒分布情況

綜上所述，“線條”區(qū)域可能是c處晶粒變形呈條狀所致，宏觀上呈“線條”。a、b、c三個(gè)區(qū)域中第二相密度逐漸降低，且三個(gè)區(qū)域的組織連續(xù)分布無裂紋、無分層現(xiàn)象不屬于缺陷。“線條”的產(chǎn)生可能是由于擠壓過程中金屬通過模具時(shí)流速不均，局部有摩擦熱或變形熱的區(qū)別，影響合金中第二相的固溶條件，此外，金屬流動(dòng)的不均勻也會(huì)導(dǎo)致晶粒破碎產(chǎn)生不完全再結(jié)晶，組織發(fā)生變化。因此“線條”處含有較大第二相，且與其它位置相比，組織有所區(qū)別。

2.2 不同區(qū)域內(nèi)的成分

對(duì)圖3中的a、b、c的三個(gè)區(qū)域分別選兩點(diǎn)進(jìn)行SEM/EDS成分分析，具體位置如圖5所示。由圖5發(fā)現(xiàn)，a、b、c區(qū)域中均發(fā)現(xiàn)Si、Mg元素，并且三個(gè)區(qū)域內(nèi)基體中Mg、Si含量相近，c區(qū)域Si含量相對(duì)較低，這可能與不同區(qū)域的第二相分布情況有關(guān)。由圖5可知，不同區(qū)域的析出相密度不同，區(qū)域c(“線條”區(qū)域)的第二相含量較a和b區(qū)域低，這與圖3(b)相符。

(a) 圖3位置a；(b) 圖3位置b；(c) 圖3位置c

2.3 “線條”組織對(duì)力學(xué)性能的影響

離線淬火后的型材經(jīng)過185℃×4.5h人工時(shí)效后，利用布氏硬度計(jì)在圖1(a)中的區(qū)域A(“線條”區(qū)域)和區(qū)域B(非“線條”區(qū)域)處分別進(jìn)行三次布氏硬度檢測，并在兩區(qū)域分別取力學(xué)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，均取其平均值，檢測結(jié)果見表2。由表2知，“線條”區(qū)域A處的布氏硬度的平均值為110HB，較無線條的正常區(qū)域B處的硬度低8HB，但均高于標(biāo)準(zhǔn)，符合要求。和硬度趨勢相同，“線條”區(qū)域A的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較正常區(qū)域的力學(xué)值低近10MPa，分別為369MP和388MP，可見該“線條”對(duì)合金的力學(xué)性能有一定的影響，但是硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等仍然滿足該型材的使用標(biāo)準(zhǔn)，在性能方面不影響使用。

表2 不同區(qū)域的力學(xué)性能

3 分析與討論

通過SEM/EDS成分分析可知，“線條”區(qū)域的第二相含量相對(duì)其他區(qū)域含量較少(c位置)，c位置顏色發(fā)亮可能是由于該區(qū)域析出相較少，光線在該位置形成鏡面反射，故目測會(huì)發(fā)現(xiàn)微細(xì)的亮線；而a、b區(qū)域因析出相多，光線在其上面產(chǎn)生漫反射，因此沒有c區(qū)域亮。通過金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，在晶粒度方面，圖4中c位置較為細(xì)小的再結(jié)晶不充分的晶粒，將與圖4中b位置形成不同的反光效果，細(xì)小的晶粒組織晶粒取向較多，相對(duì)形成漫反射、發(fā)暗，較大的晶粒組織相對(duì)形成鏡面反射、發(fā)亮。同時(shí)，晶粒細(xì)小的組織晶界分布密集，總的晶界面積較大，在后期低倍腐蝕過程中，晶界多的組織，腐蝕更為嚴(yán)重，顏色較深。所以在圖1中的宏觀低倍出現(xiàn)一道有別于其它位置的較深線條。

通常情況下細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小。但本實(shí)驗(yàn)中通過力學(xué)性能和硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“線條”區(qū)域較正常區(qū)域較弱，這有待后續(xù)進(jìn)一步研究，可能是由于實(shí)驗(yàn)偏差又或者由于數(shù)據(jù)偶然性等原因造成，但現(xiàn)狀仍滿足力學(xué)的使用標(biāo)準(zhǔn)。此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。因此，后期深加工使用上不會(huì)有問題。

6082鋁合金是6xxx系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，主要強(qiáng)化元素為Si、Mg元素，形成Mg2Si強(qiáng)化相，在擠壓過程中呈點(diǎn)狀彌散分布，鑄錠邊部與擠壓筒及模具接觸，摩擦力較大，變形劇烈，邊部流速慢，心部流速快。若擠壓比過大或擠壓速度過快，內(nèi)、外圈金屬流動(dòng)性差異將更加明顯，致使第二相分布不均勻。研究表明[8]：第二相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有釘扎作用，擠壓過程中能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，形成高密度的位錯(cuò)形變區(qū)，促進(jìn)再結(jié)晶形核，加快再結(jié)晶的速度。但本試驗(yàn)中筆者認(rèn)為“線條”位置內(nèi)較為細(xì)小的晶粒為在擠壓過程中存在的即將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的亞晶晶粒，但是這種亞晶，有明顯晶界，組織連續(xù)，在后續(xù)的加熱過程中未形成再結(jié)晶晶粒。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

帶有“線條”狀棒材雖然在后期鍛造過程中，該組織會(huì)再次發(fā)生變形，會(huì)改善第二相分布不均勻現(xiàn)象，但是鍛造后的仍會(huì)在懸臂工件表面產(chǎn)生殘余線狀的紋路，為避免影響懸臂工件的表面美觀，改善甚至消除該“線條”組織。在擠壓過程中可以通過重新調(diào)整擠壓工藝參數(shù)和擠壓模具的結(jié)構(gòu)，平衡金屬流動(dòng)性差異，具體為：(1) 更換5500T的擠壓機(jī)進(jìn)行試生產(chǎn)，降低型材的擠壓比至29.5；(2) 調(diào)整模具結(jié)構(gòu)，工作帶厚度減少20%，外圈增加促流角，使內(nèi)外圈金屬流速差異降低，保證內(nèi)外圈金屬流動(dòng)性差異減小，保證第二項(xiàng)分布均勻。

經(jīng)上機(jī)生產(chǎn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的棒材表面幾乎無“線條”狀組織存在(圖6)，從而根本解決了擠壓產(chǎn)生“線條”狀的問題。

圖6 驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

(1)該“線條”組織是擠壓過程中該區(qū)域組織動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全，晶粒呈條狀所致。

(2)擠壓過程中，金屬流動(dòng)差異較大，第二相分布不均勻，“線條”區(qū)域第二相位錯(cuò)釘扎作用較弱，是“線條”產(chǎn)生的根本原因。

(3)該“線條”區(qū)域與相鄰區(qū)域組織連續(xù)，不屬于缺陷，硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較正常區(qū)域偏低，但仍滿足使用要求。

(4)通過改善模具設(shè)備，降低擠壓比可有效改善棒材出現(xiàn)“線條”的問題。