汽車用6082擠壓型材表面黑線原因分析

幺 雷,段英冶,劉恒洋,李延安,顧維明,何 強

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金屬于中等強度的Al-Mg-Si系合金,是熱處理可強化型的鋁合金,具有良好的焊接性能、耐腐蝕性,主要用于軌道交通和汽車等領(lǐng)域[1,2]。隨著汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展,對于車用鋁合金擠壓型材的質(zhì)量要求越來越高,不僅要保證材料強度等基礎(chǔ)性能指標(biāo),還要兼顧表面質(zhì)量,尤其是覆蓋件和外部可見的零部件,這就要求將型材的各類性能控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),且沒有表面缺陷。

某批次6082鋁合金擠壓材上表面發(fā)現(xiàn)若干條沿著擠壓方向的黑線,隨著擠壓的進行,后續(xù)批次擠壓型材上表面黑線現(xiàn)象依然存在,但顏色會逐漸減輕,數(shù)量和位置會略有不同。本文通過宏觀表面、低倍組織、高倍組織觀察分析等手段,查找缺陷的產(chǎn)生原因。

1 試驗方案

該型材表面具有明顯的擠壓條紋,具備明顯的觸感,如圖1所示。經(jīng)過理論分析,造成鋁合金型材表面黑線的主要原因可能包括表面殘留、表層侵蝕、組織缺陷等[3-5]。因此采用如下手段進行分析,確定缺陷的產(chǎn)生原因:(1)表面清洗。采用有機溶劑(丙酮)進行表面清洗,確認(rèn)是否為表面附著物。(2)表面堿蝕。采用堿液浸泡,并進行酸洗中和,確認(rèn)缺陷存在位置是否為型材制品的表層。(3)金相組織。使用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察型材制品垂直于擠壓方向上的不同位置是否存在組織差異,輔助判斷是否為工藝等差異。(4)晶粒結(jié)構(gòu)。使用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察型材制品垂直于擠壓方向上的不同位置是否存在晶粒結(jié)構(gòu)差異,輔助判斷是否為工藝等差異。(5)微區(qū)成分。使用SSX-550型島津掃描電子顯微鏡觀察型材制品垂直于擠壓方向上的不同位置是否存在成分差異,輔助確認(rèn)缺陷種類。

圖1 型材缺陷示意圖Fig.1 Defect diagram of profile

2 試驗結(jié)果

2.1 表面處理

(1)表面清洗。型材試樣經(jīng)有機溶劑(丙酮)清洗、除油后,黑線顏色變輕,但黑線缺陷仍然存在。該黑線缺陷可能存在于型材表層即表層缺陷,常規(guī)清洗無法完全去除;該黑線缺陷可能存在于型材表面即表面缺陷,但與型材表面結(jié)合比較牢固,常規(guī)清洗無法完全去除。

(2)表面堿蝕。型材試樣先后經(jīng)過15%～25%NaOH溶液堿蝕浸泡,20%～30%HNO3溶液中和浸泡及清水清洗后,觀察制品表面后發(fā)現(xiàn)黑線消失(圖2),說明黑線缺陷只存在型材制品表面一層,并未深入型材基體內(nèi)部。

圖2 堿蝕后的型材樣品Fig.2 Profile sample after alkali etching

2.2 金相組織

(1)基體部位。從圖3(a)缺陷樣品基體微觀組織形貌中可以看出,析出的第二相較均勻的分布在基體中,在缺陷位置未發(fā)現(xiàn)明顯異常的組織形貌。從圖3(b)缺陷樣品的基體偏光組織中可以看出,基體為形變組織,雖然不同位置的晶粒尺寸存在一定差異,但僅說明在擠壓過程中存在變形不均勻,不屬于異?，F(xiàn)象[6]。

圖3 基體的微觀組織Fig.3 Microstructure of matrix

(2)邊部位置。圖4給出了缺陷樣品黑線和非黑線位置的組織及晶粒對比。

圖4 缺陷型材邊部位置的微觀組織及晶粒結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure and grain structure at edge of defect profile

由組織對比可知,型材邊部的黑線和非黑線位置處第二相的分布及大小沒有明顯的區(qū)別。由晶粒對比可知,黑線和非黑線位置均存在由再結(jié)晶導(dǎo)致的邊部粗晶現(xiàn)象,但黑線位置的晶粒尺寸較非黑線位置略大,推測是由于黑線位置在形變過程中受熱溫度較非黑線位置高,提供了更多的能量,促進晶粒長大[7,8]。

3 成分分析

圖5為型材表面黑線和非黑線位置在二次電子(SE)與背散射電子(SBSE)下的觀測結(jié)果。SE下接收原子的二次電子信號,用于觀測樣品的表面狀態(tài),而SBSE接收背散射電子信號,平均原子序數(shù)越小,顯示的圖像越暗。SE下對比可知,黑線位置的表面機械紋較非黑線位置深,且機械紋位置分布有形狀不規(guī)則的黑色異物,而非黑線位置未發(fā)現(xiàn)明顯異常的組織或異物。在SBSE下觀測發(fā)現(xiàn),黑線位置的不規(guī)則異物呈現(xiàn)黑色斑點狀(圖中紅色方框所示),且顏色比基體深,說明異物處的原子序數(shù)比基體的原子序數(shù)低,而非黑線處沒有發(fā)現(xiàn)類似物質(zhì)。對黑色塊狀物質(zhì)(圖6中點a、b、c)及附近基體(圖6中點d)與非黑線位置(圖6中點e、f)進行EDS分析,檢測結(jié)果見表1,發(fā)現(xiàn)黑色塊狀物質(zhì)中C、O元素含量明顯較正常區(qū)域含量高。綜合分析,推測該黑色塊狀物為含C材料的氧化產(chǎn)物。

表1 不同位置處的EDS檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖5 型材表面黑線和非黑線位置的SEM觀測結(jié)果Fig.5 SEM Observation results of black and non-black lines on profile surface

圖6 表面黑線和非黑線位置的EDS檢測Fig.6 EDS detection of surface black and non-black lines

4 生產(chǎn)驗證及分析

該型材再次上機時進行生產(chǎn)跟蹤,發(fā)現(xiàn)淬火水槽堵水口使用沾濕的紙,濕紙接觸型材會瞬間變得干燥,當(dāng)擠壓出口溫度增加到一定程度時,紙甚至?xí)l(fā)生燃燒,燃燒后的紙接觸型材制品后,由于型材表面具有明顯的較為粗糙的擠壓條紋痕跡,促使燃燒產(chǎn)物殘留在制品表面形成了黑線(圖7(a)),但當(dāng)把堵水口的紙撤掉后,黑線明顯消失(圖7(b))。

圖7 驗證實驗的制品表面照片F(xiàn)ig.7 Surface Photo of Verification Experiment

經(jīng)過實驗驗證了型材制品表面的黑線缺陷是制品在擠壓過程中,由于不同位置的變形不均勻,導(dǎo)致部分位置的變形熱和摩擦熱較高,在進入淬火區(qū)時,和墊紙產(chǎn)生接觸,導(dǎo)致其燃燒,而燃燒產(chǎn)物與制品接觸后,由于型材表面較為粗糙,在摩擦等外力和高溫作用下,滲入機械紋并殘留在制品表面。要避免產(chǎn)生類似的問題,可以采用如下措施進行改善:(1)調(diào)整模具結(jié)構(gòu),降低截面各部位變形不均勻性,提高流速均勻性,同時注意工作帶光潔度,提高型材表面光潔度;(2)升級淬火工裝,避免使用紙質(zhì)、木質(zhì)等易燃材料作為堵水材料;(3)改進工藝,同時嚴(yán)格控制工藝執(zhí)行,避免產(chǎn)生溫度過高現(xiàn)象。

5 小結(jié)及建議

(1)黑線缺陷為表層缺陷,且缺陷位置C、O元素明顯偏高,推測為含C材料的氧化產(chǎn)物。

(2)經(jīng)過生產(chǎn)驗證,該黑線形成機理為,擠壓表面溫度過高,造成水槽的堵水工具過熱甚至燃燒,燃燒產(chǎn)物吸附在制品表面,表面機械紋越重越容易滲入產(chǎn)物,導(dǎo)致表面一層出現(xiàn)黑線缺陷。

(3)建議對模具結(jié)構(gòu)進行微調(diào),提高流速的均勻性,進而提高制品表面溫度均勻性,同時與制品接觸材料更換為耐熱型材料。