7系鋁合金鑄棒缺陷分析

王麗萍，孫 巍，王東輝，謝方亮，屈玉石

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，對材料的性能要求越來越高。鋁合金制品因其質輕、耐腐蝕性好、強度高等特點，被人們廣泛應用[1]。然而，鋁合金制品在熔煉和鑄造過程中，由于熔劑、爐渣、爐襯、油污、泥土和灰塵中的氧化物、氮化物、碳化物、硫化物等會被帶入熔體，且除渣不徹底，導致鑄造后的鑄錠中形成夾雜。夾雜會嚴重破壞金屬的連續(xù)性和完整性，尤其對金屬的機械性能產(chǎn)生嚴重影響，且在后續(xù)加工過程中難以消除。夾雜在制品中容易成為裂紋源，應該絕對禁止的[2]。

本文針對7系鋁合金鑄錠在宏觀質檢過程中發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部含有大量夾雜，利用光學和掃描電子顯微鏡對夾雜的組織形貌和成分進行研究，并對夾雜的形成原因進行分析，提出避免形成夾雜的方法。

1 試驗材料與方法

試驗材料為7系鋁合金鑄錠，其化學成分見表1。低倍堿蝕(室溫下在10%NaOH水溶液中浸蝕20 min)后觀察試樣宏觀形貌，在宏觀缺陷位置截取金相試樣，采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察缺陷處微觀組織，并利用EDS能譜分析儀對微區(qū)成分進行分析。

表1 試驗材料化學成分(質量分數(shù)，%)

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀缺陷類型判定

試樣經(jīng)低倍堿蝕后觀察到黑色點狀缺陷和無規(guī)則非特定形狀缺陷兩種宏觀缺陷，見圖1(a)、1(b)。其中，黑色點狀缺陷分布較不規(guī)則，數(shù)量較多，且尺寸較?。欢鵁o規(guī)則非特定形狀缺陷尺寸約為6 mm。圖1(c)為標準GB/T 3246.2—2012中非金屬夾雜低倍組織，堿蝕后非金屬夾雜呈黑色不規(guī)則狀，尺寸較大，肉眼可見。根據(jù)該標準，可初步判定無規(guī)則非特定形狀缺陷類型為非金屬夾雜。

(a)黑色點狀缺陷；(b)無規(guī)則非特定形狀缺陷；(c)GB/T 3246.2—2012中非金屬夾雜組織形貌圖1 夾雜宏觀形貌(a)black dot defects; (b)no regular and non-specific defects;(c)macro morphology of non-metallic inclusions in GB/T 3246.2—2012Fig.1 Macro morphology of inclusions

2.2 缺陷顯微組織

為準確判定缺陷類型，在宏觀缺陷位置截取金相試樣。對金相試樣進行金相磨拋，為避免腐蝕劑對觀察結果的影響，拋光后未作浸蝕處理。采用光學顯微鏡觀察兩種缺陷的顯微組織，如圖2所示。

圖2(a)中點狀缺陷內(nèi)部為較粗的黑色紊亂絮狀組織，周圍可見少量未熔相；而圖2(b)中缺陷內(nèi)部為較細的黑色線狀紊亂組織，周圍可見大量尺寸較大的未熔相；圖2(c)為標準GB/T 3246.2—2012中非金屬夾雜的顯微組織特征，可以看出非金屬夾雜形貌呈黑色紊亂組織，無特定形狀，粗細不均，擴展無規(guī)則，夾雜附近無粗大相聚集。上述對比發(fā)現(xiàn)，兩種缺陷的顯微組織均符合標準GB/T 3246.2—2012描述的顯微組織特征，由此可判定7系鋁合金鑄錠存在的兩種缺陷類型均為非金屬夾雜。

由圖2(a)、2(b)可知，在夾雜物處均聚集較粗大的未熔相，而在試樣基體中均未發(fā)現(xiàn)粗大未熔相。一般而言，非金屬夾雜缺陷形成過程中不會吸附其他的合金相，這表明粗大未熔相在原材料中就已經(jīng)存在于夾雜物附近。進行除渣時因未能把夾雜物與粗大相的共同體除去，從而形成缺陷。

(a)黑色點狀缺陷；(b)無規(guī)則非特定形狀缺陷；(c)GB/T 3246.2—2012中非金屬夾雜的顯微組織圖2 缺陷位置顯微組織(a)black dot defects; (b)no regular and non-specific defects;(c)microstructure of non-metallic inclusions in GB/T 3246.2—2012Fig.2 Microstructure of defects location

2.3 微區(qū)組織形貌及成分分析

為進一步分析缺陷形成原因，采用掃描電子顯微鏡對缺陷處形貌和成分進行分析。兩種缺陷處試樣的SEM形貌如圖3所示。由圖3(a)可知，夾雜邊緣呈不規(guī)則狀，內(nèi)部為不規(guī)則絮狀組織，且觀測到規(guī)則塊狀的粗大未熔相(見圖中2#位置)；圖3(b)中夾雜為線性裂紋狀組織，夾雜處及附近聚集了大量的規(guī)則長條未熔相，聚在一起呈結晶狀。由于夾雜沒有吸附其他合金相的特性，說明這些未熔相在熔鑄前就與夾雜結合在一起，在熔鑄過程中未除去而共同保留下來。

(a)黑色點狀缺陷；(b)無規(guī)則非特定形狀缺陷圖3 試樣SEM形貌(a) black dot defects; (b) no regular and non-specific defectsFig.3 SEM morphology of samples

對試樣夾雜物及附近的粗大相進行成分分析，取點位置見圖3，分析結果見表2。由表2可知，夾雜物內(nèi)部均含有C、O、Al、Mg和Si等元素，但1#位置的氧含量最高，可判斷該處夾雜類型為氧化物夾雜。部分位置上含有Zn、Ti元素，這可能是鋁合金內(nèi)部的第二相成分；而點狀夾雜內(nèi)部發(fā)現(xiàn)粗大相，其成分含有Zr元素，不規(guī)則夾雜附近未熔相成分中也有含量較高的Zr元素，分析認為該未熔相為Al-Zr中間合金。

表2 缺陷位置微區(qū)成分(質量分數(shù)，%)

在熔鑄過程中形成的氧化物夾雜，是鋁液中夾雜物的主體，對鋁液吸氫和鋁合金鑄件中孔洞的形成有很大的影響。鋁合金鑄件的力學性能與鋁液中的氧化物夾雜密切相關，夾雜物可作為顯微裂紋的發(fā)源地，嚴重削弱鋁合金鑄件的力學性能[3]。

鋁合金鑄錠中夾雜的形成原因較多：1)原材料、添加劑不干凈，如有油污、泥土、灰塵、水分等帶入鑄錠，入爐原料表面因長時間放置氧化所產(chǎn)生的氧化鋁雜質會在熔煉過程中帶入鑄錠，從而形成非金屬夾雜缺陷；2)鑄錠在熔煉、靜置過程中與空氣接觸并發(fā)生氧化反應會產(chǎn)生氧化鋁，氧化鋁為鋁合金鑄錠常見夾雜，在高溫放置時，容易向粗大塊狀夾雜物轉；3)后續(xù)熔煉工藝中，精煉不徹底，精煉溫度低，靜置時間不足，使渣、鋁分離得不徹底，除渣工藝做的不好等，均會導致鑄錠中殘留夾雜缺陷。

在鋁合金材料生產(chǎn)中會加入Al-Zr合金作為晶粒細化劑，可起到提高強度的作用，但晶粒細化劑會在材料中形成含Zr相夾雜。一種分析認為，由于鑄錠停留時產(chǎn)生的氧化物夾雜，在鑄錠凝固的過程中以夾雜為核心，含Zr相在其附近大量富集，粘附在夾雜周圍未充分溶解。另一種分析認為，加入的晶粒細化劑Al-Zr合金本身含有氧化物夾雜，在除渣過程中未清除干凈，導致凝固過程夾雜附帶著含Zr相殘留下來形成缺陷。但由于氧化物夾雜吸附合金相的可能性較小，因此認為后一種分析更為合理。

鑄錠中一旦混入非金屬夾雜，在后續(xù)的加工過程中很難被消除。不同形態(tài)的夾雜物混雜在金屬內(nèi)部，破壞了金屬的連續(xù)性和完整性。夾雜物同金屬之間的結合情況不同、彈性和塑性的不同以及熱膨脹系數(shù)的差異，常使金屬材料的塑性、韌性、強度、疲勞極限和耐蝕性等受到顯著影響，同時也會影響加工零件的表面質量和加工工具的壽命。

目前，生產(chǎn)中控制夾雜的方法[4]：一是控制好來源；二是對熔體進行充分凈化。因此，在生產(chǎn)中為避免產(chǎn)生非金屬夾雜，熔煉前和熔煉過程中要對原材料、鑄錠停留時間以及爐膛清潔度進行管控，避免表面的氧化反應，減少夾雜物來源途徑。另外，在后續(xù)的精煉、除渣過程中要嚴格把控操作工藝，保證渣、鋁充分分離，以確保除渣徹底。

4 結論

1)試樣中的點狀和非特定形狀缺陷均為非金屬氧化物夾雜；

2)缺陷的形成主要歸因于加入的晶粒細化劑Al-Zr合金本身含有氧化物夾雜，精煉過程渣、鋁分離不徹底，除渣操作工藝不規(guī)范等；

3)在鑄錠生產(chǎn)中應嚴格管控原材料和鑄錠停留時間、爐膛清潔度、精煉工藝以及除渣工藝，避免鑄錠中出現(xiàn)夾雜缺陷。