7075鋁合金排材黑線缺陷原因分析

李飛慶，王 超

(安徽鑫鉑鋁業(yè)股份有限公司，安徽 天長 239300)

7075鋁合金是Al-Zu-Mg-Cu系鋁合金，具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能良好等突出優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、建筑、橋梁等領(lǐng)域，比如飛機、火箭、高鐵等，是一種很有發(fā)展前途的鋁合金。

眾所周知，鋁在空氣中表面能夠形成一層致密的氧化膜，保護(hù)基體金屬不再腐蝕，因此鋁及鋁合金的耐蝕性能比鐵、銅等其它金屬好。在鋁中加入Zn、Mn、Cu形成合金后，自然條件下形成的氧化膜厚度約為4nm，該氧化膜不均勻，疏松多孔，因此這一系列鋁合金耐蝕性較差。陽極氧化表面處理，可以在鋁合金表面生成純度較高且致密的Al2O3薄膜，對鋁合金起到了較好的保護(hù)作用，該薄膜外層吸附力強，與漆膜有很高的吸附力，因此常用的高強鋁合金由氧化膜和漆膜來防護(hù)。其中氧化膜是否連續(xù)完整對鋁合金的表面防護(hù)至關(guān)重要。有研究表明[1-2]，7075合金制品表面含有析出相的部位會造成Al2O3氧化保護(hù)膜的中斷或者厚度不均勻，同時由于局部受力不均勻及尖角作用而產(chǎn)生微觀裂紋，另外表面缺陷和表面光潔度較差，都會嚴(yán)重影響氧化膜的質(zhì)量，從而降低材料的耐蝕性能。

在試生產(chǎn)高鐵座椅零部件用7075鋁合金排材時，用戶反映某些規(guī)格的排材在進(jìn)行陽極氧化處理之后，制品表面出現(xiàn)黑線，認(rèn)為嚴(yán)重影響制品美觀度并可能出現(xiàn)安全隱患，提出了退貨的要求。本文結(jié)合生產(chǎn)實際，分析了7075鋁合金排材氧化后產(chǎn)生黑線的現(xiàn)象和原因，并提出了預(yù)防解決措施，以期為同行生產(chǎn)此類產(chǎn)品時提供參考。

1 材料及檢驗方法

1.1 材料

試驗材料為7075合金，試樣尺寸為300mm×10mm的擠壓排材。擠壓采用的鑄錠由該廠熔鑄車間提供，采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)。生產(chǎn)工藝流程為：鑄造—車皮—感應(yīng)加熱—擠壓—離線淬火—張力拉伸—切定尺。主要生產(chǎn)工藝參數(shù)為：鑄錠鑄造規(guī)格為Φ305mm，鋸切長度900mm，單邊車皮厚度為3mm，車削后直徑為Φ299mm，鑄錠溫度430℃，溫度梯度20℃，擠壓筒溫度400℃，擠壓速度1m/min，擠壓系數(shù)25，壓余厚度80mm。7075合金化學(xué)成分見表1。

表1 7075鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 檢驗方法

低倍觀察，樣品采取20%的NaOH溶液浸泡；第二相和晶粒組織采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，型號為倒置型ZEISS Axio vert.A1，能譜和顯微分析采用蔡司EVO18掃描電子顯微鏡(標(biāo)配能譜儀)。

2 黑線現(xiàn)象和組織分析

2.1 黑線現(xiàn)象

圖1(a)為已加工好的高鐵用鋁合金座椅零件的樣件，可以看到經(jīng)過氧化加工后樣件中間有一條連續(xù)的黑線，黑線位于樣件的中間，呈條狀沿制品長度方向分布，占到樣件寬度的1/8左右，略凹于工件表面。對樣件進(jìn)行低倍腐蝕后，工件表面的氧化膜已全部腐蝕掉，但黑線仍然存在。將擠壓后氧化前的7075鋁合金排材產(chǎn)品間隔一段距離取樣，進(jìn)行低倍觀測，發(fā)現(xiàn)從尾部開始直到第4m均有黑線存在(圖1(b))，黑線不連續(xù)，間斷出現(xiàn)，呈條狀沿制品長度方向分布。

(a)陽極氧化后顯現(xiàn)的黑線；(b)堿液浸泡后顯現(xiàn)的黑線圖1 7075鋁合金排材黑線(方框內(nèi)可見)Fig.1 7075 aluminum alloy strip black line (visible in the box)

2.2 晶粒組織分析

對經(jīng)過擠壓的排材在黑線部位和正常部位分別取高倍試樣，試樣制備后在金相顯微鏡下觀察其組織，可以發(fā)現(xiàn)在黑線處的晶粒和正常晶粒一樣，均為晶粒被拉長纖維組織，在形態(tài)和大小上差異不大，說明黑線與晶粒異常無關(guān)(圖2)。根據(jù)擠壓組織特點，沿橫斷面方向組織是不均勻的，原因在于邊緣受到強烈的剪切變形，外層金屬晶粒會遭到較大破碎，而從外層到中心，變形程度逐漸減小。

(a)正常區(qū)域晶粒組織；(b)黑線區(qū)域晶粒組織圖2 7075鋁合金排材晶粒組織Fig.2 Grain structure of 7075 aluminum alloy strip

2.3 第二相分析

從Al-Zn-Mg-Cu相圖可知[7]，該系列合金可能生成MgZn2、S(CuMgAl2)、T(AlZnMgCu)和少量的MgSi2、AlMnFeSi以及Al6(MnFe)相。這些第二相均附著在枝晶網(wǎng)絡(luò)上，在均勻化過程中，大部分S(CuMgAl2)、T(AlZnMgCu)第二相溶入鋁基體中。從圖3可以看出生產(chǎn)用的鑄棒經(jīng)過均勻化，第二相大部分已經(jīng)溶入基體，殘余的可能是MgSi2、AlMnFeS以及少部分S(CuMgAl2)、T(AlZnMgCu)相。

圖3 7075鋁合金鑄錠均勻化后組織Fig.3 Microstructures of homogenized 7075 aluminum alloy ingot

經(jīng)過擠壓變形后，第二相顆粒破碎，分布于基體之中。從圖4(a)(b)可以看出，正常區(qū)域第二相粒子細(xì)小，最大的粒子不超過15μm，呈現(xiàn)離散分布狀態(tài)；而從圖4(c)(d)可以看出，黑線區(qū)域部分第二相呈鏈?zhǔn)椒植?，且有少量超過20μm的粒子存在。

(a)正常區(qū)域第二相形貌 200×；(b)正常區(qū)域第二相形貌 400×；(c)黑線區(qū)域第二相形貌 200×；(d)黑線區(qū)域第二相形貌 400×圖4 7075排材顯微組織Fig.4 Microstructures of 7075 aluminum alloy strip

2.4 能譜分析

對經(jīng)過擠壓的排材在黑線區(qū)域和正常區(qū)域分別取樣進(jìn)行能譜分析(EDS)。從圖5 可以看到，在黑線區(qū)域的第二相粒子與正常區(qū)域的第二相同樣，主要是Mg2Si、Al(FeMn)、Al6FeMnSi0.5，這些粒子是Al-Zn-Mg-Cu系本身可能存在的，只是在分布和大小上有差異。因此可以排除氧化物、異物進(jìn)入產(chǎn)品造成黑線?；w能譜位置見圖5的A點和B點，EDS成分分析結(jié)果見表2。通過能譜分析，發(fā)現(xiàn)在基體成分上，黑線區(qū)域和正常區(qū)域溶質(zhì)濃度不同，Cu、Mn、Mg、Zn等原子的濃度比正常濃度要高一點，說明在鑄造過程中發(fā)生了偏析現(xiàn)象。

表2 7075鋁合金的基體化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

綜上所述，黑線沿制品長度方向間斷分布，黑線區(qū)域的晶粒與正常區(qū)域的晶粒相比無異常。造成制品氧化后黑線的是連續(xù)分布且尺寸粗大的第二相，第二相主要是Mg2Si、Al(FeMn)、Al6FeMnSi0.5，由成分偏析造成的。

(a)正常區(qū)域第二相能譜；(b)黑線區(qū)域第二相能譜圖5 7075鋁合金排材第二相能譜Fig.5 EDS(energy dispersive spectrum)for second phases of 7075 aluminum alloy strip

3 分析與討論

3.1 偏析對黑線形成的影響

在鋁合金半連續(xù)鑄造時，先接觸到結(jié)晶器的熔體由于冷卻水的作用而急劇冷卻，凝結(jié)成一層外殼，稱為激冷層。又由于凝固引起體積的收縮，在激冷層與結(jié)晶器之間形成了空隙。隨著鑄棒長度增加，激冷層開始脫離冷卻水的激冷，這時鑄棒內(nèi)尚未完全凝固的熔體對激冷層重新加熱，使激冷層內(nèi)的低熔點共晶重新熔化，并沿復(fù)熔晶界穿過激冷層在鑄棒表面凝結(jié)成瘤狀。這一部分偏析瘤若車皮不完全，且擠壓時從鑄棒表面進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，在發(fā)生變形后偏析瘤中的粗大第二相破碎并沿變形方向排列，形成了條狀的化合物富集區(qū)。在隨后對零件進(jìn)行陽極氧化時，正常部位陽極氧化后生成了致密的氧化膜，而化合物富集區(qū)優(yōu)先反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕，難以形成氧化膜，所以在工件表面出現(xiàn)了“黑條”。通過改善鑄造工藝，增加車皮量，消除偏析組織，也就是消除了黑線形成的組織因素。

3.2 死區(qū)對黑條形成的影響

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，又因為擠壓筒與擠壓模的共同冷卻作用，使該區(qū)金屬塑性降低強度升高不易流動，因而形成前端難變形區(qū)即為死區(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。具體過程為：擠壓開始，鑄棒表層組織(包括殘留的偏析瘤)在固定擠壓墊前面積聚，若死區(qū)足夠大，則可將其聚集到最后，作為壓余來切掉；若死區(qū)過小，則可能在擠壓后期階段雜質(zhì)就會進(jìn)入產(chǎn)品中。死區(qū)影響因素有工藝和模具等方面的原因。工藝方面主要因素有：1)擠壓速度越大，死區(qū)越??；2)變形程度越大，死區(qū)越??；3)摩擦力越大，死區(qū)大。模具方面主要因素有：1)模具分流孔與擠壓筒壁的距離越小，死區(qū)約??；2)模角越大，死區(qū)越大。本實驗涉及的實際生產(chǎn)用的模具總厚度為330mm，直徑為Φ500mm，分流孔外接圓直徑達(dá)到Φ292mm(圖6)。

圖6 模具示意圖Fig.6 Schematic drawing of the die

生產(chǎn)用的擠壓機配套擠壓筒內(nèi)孔尺寸為直徑Φ312mm，那么，分流孔邊緣與擠壓筒壁的距離就只有10mm，造成死區(qū)很小，偏析引起的粗大第二相容易進(jìn)入產(chǎn)品中，在擠壓變形中未得到充分破碎，最后導(dǎo)致氧化黑線出現(xiàn)。通過優(yōu)化模具設(shè)計，將分流孔外接圓控制在Φ272mm左右，分流孔邊緣與擠壓筒壁的距離就增加到20mm，增加擠壓死區(qū)區(qū)域面積，作為第二道防線阻止偏析組織進(jìn)入產(chǎn)品中，降低黑線形成的幾率。

4 結(jié)論

連續(xù)、鏈?zhǔn)椒植嫉牡诙嘟M織是造成氧化黑線的主要原因；通過優(yōu)化鑄造工藝和模具設(shè)計可消除并預(yù)防出現(xiàn)氧化黑線。