６０６３鋁合金中框側面亮線原因分析
金林奎１ ２,歐海龍１ ２,鄒文奇１ ２,廖森梁１ ２,黃持偉１ ２
(１．廣東省東莞市質量監督檢測中心,東莞 ５２３８０８;２．國家模具產品質量監督檢驗中心,東莞 ５２３８０８)
摘 要:６０６３鋁合金中框產品經溫擠壓加工,側面中心出現一條亮線,陽極化處理仍然無法消除.通過化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡及能譜分析等方法,對鋁合金中框產品側面亮線成因進行了分析.結果表明:工件在溫擠壓時變形速率過大,使中間層殘留較大的內應力,由于內應力分布不均勻,導致亮線區域形成并在亮線區域形成應力開裂的微裂紋.在鋁合金溫擠壓加工過程中,控制加熱溫度及變形速率,保證組織能夠及時回復再結晶,可有效避免該亮線的產生.
關鍵詞:鋁合金;亮線;應力集中;裂紋
中圖分類號:TG１４７;TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０１９８Ｇ０５
６０６３鋁合金屬于低合金的鋁Ｇ鎂Ｇ硅系高塑性合金,主要合金元素為鎂和硅,具有優良的機加工性能,并能夠進行熱處理強化,沖擊韌性高且對缺口不敏感,有極好的熱塑性,可以高速擠壓成結構復雜的各種型材,或鍛造成結構復雜的鍛件.此系合金的淬火溫度范圍寬,淬火敏感性低,擠壓和鍛造脫模后,只要溫度高于淬火溫度,即可用噴水或穿水的方法淬火.
并且焊接性能和耐蝕性優良,無應力腐蝕開裂傾向,在熱處理可強化的鋁合金中,鋁Ｇ鎂Ｇ硅系合金是唯一沒有發現應力腐蝕開裂現象的鋁合金.此系合金機加工后表面十分光潔,容易陽極氧化和著色.
該６０６３鋁合金中框產品,加工工藝流程為板材下料→溫擠壓成型→數控加工中心(CNC)精加工→發黑處理→成品.圖１為 CNC精加工后的半成品,鋁合金中框外形尺寸為８０ mm×７０ mm×１０ mm(長×寬×高).在CNC精加工過程中,發現樣品側面存在一條顏色發亮的條紋,亮線條紋剛好位于側面中間,并貫穿產品側面的四周,如圖２所示.據生產
現場統計,這類缺陷造成的產品不良率達２０％.
針對該產品 CNC精加工過程中產品側面出現亮線條紋問題,筆者采用化學成分分析、金相檢驗、硬度檢測、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了亮線條紋產生的原因,以期杜絕類似質量問題的再發生.
１ 理化檢驗
１．１ 化學成分分析
從該鋁合金中框產品上截取試樣,進行化學成分檢測,檢測結果見表 １,依據 GB/T３１９０－２００８
«變形鋁及鋁合金化學成分»判定.結果表明,化學成分符合標準要求.
１．２ 硬度測試
從該鋁合金中框半成品上截?。祲K側面亮線區域試樣,分別編號為１~５號,對樣品表面進行硬度測試,依據 GB/T４３４０．１－１９９９«金屬維氏硬度試驗第１部分試驗方法»評定,檢測結果見表２,可見亮線區域比正常區域的硬度平均值偏高２．４HV０．３.
１．３ 金相檢驗
采用金相顯微鏡對該鋁合金中框側面表面進行觀察,如圖３和圖４所示,為了顯示亮線區域的外觀形貌,未對試樣表面進行后序加工處理.可見,亮線區域與正常區域的色澤有明顯的差異.經測量,亮線區域的寬度為０．２３~０．５６mm.
金相顯微鏡倍率進一步增大,可見在亮線區域表面出現多條顯微裂紋,裂紋的擴展方向與亮線的水平方向一致.圖５所示為裂紋上側區域,圖６所示為裂紋下側區域,都存在明顯的浮雕凸起.由于金相顯微鏡的景深較低,當凹陷部位紋路微調清晰
了,凸起的部位就顯得模糊.因此,推測裂紋兩側存在一定的高度差[１].
沿該鋁合金中框側面的水平方向截取試樣,經打磨、拋光及腐蝕后檢測,正常區域的顯微組織如：
圖７所示,為αＧAl固溶相＋彌散 Mg２Si強化相＋少量未溶 AlMnFeSi雜質相,表明材料經過固溶及時效處理.亮線區域組織如圖 ８ 所示,為 αＧAl固溶相＋彌散 Mg２Si強化相＋少量未溶 AlMnFeSi雜質相＋沿晶分布的第二相,沿晶析出的第二相組織已經形成連續網狀.網狀組織的形成與晶界滑移的位錯堆積有關,位錯堆積越明顯的區域,沿位錯線及晶
界析出的網狀組織就越明顯,這種沿晶析出的網狀組織,使材料強度降低且脆性增大[２].
沿該鋁合金中框側面的垂直方向,截取試樣進行金相檢測,正常區域組織為 αＧAl固溶相 ＋ 彌散Mg２Si強化相＋未溶 AlMnFeSi雜質相,如圖９所示.亮線區域(如圖１０所示)與正常區域的組織形態大致相同,但亮線區域表層彌散分布的強化相更為密集.當該區域存在更多的亞晶及位錯線,沿亞晶及位錯線析出的強化相就更為密集.亮線區域不但表層密集強化相,表層以下的彌散 Mg２Si強化相及未溶 AlMnFeSi雜質相也明顯增多,亮線區域密集分布強化相,是變形后顯微組織未能完全回復再結晶造成的[３].
１．４ 掃描電鏡與能譜分析
采用Inlens電子束成像掃描設備對亮線區域進行掃描,如圖１１所示,可見亮線區域表面清晰,亮線區域的凸起更為明顯,下半部為亮線區域的凸起部位.Inlens電子束只是表層１０μm 以內的淺層濺射,電子束基本上呈完全反射的二次電子,探測器信號成像反映樣品外表層的特征形貌.雖然外觀形貌顯示清晰,但樣品表面高低對反射的二次電子數目影響不大,難以區分亮線區域凸起的形貌特征.
采用SE２電子束成像對亮線區域進行掃描,如圖１２所示,可見凸起部位的色澤更為明亮.因為SE２電子束是距表層１００μm 的深層濺射,由于突破電子層勢能壁壘,造成電子束能量的損耗,只有部位電子躍遷至表層形成二次電子為探測器所接受,樣品表面與掃描鏡頭的距離對 SE２二次電子反射的效果影響較大,因此距掃描電鏡鏡頭越近的亮線區域凸起部位,探測器所接受的二次電子信號就越多,凸起部位成像就越明亮[４].因而可以確定,亮線區域存在明顯高度差的顯微凸起.
對亮線區域的表面微裂紋進行觀察,可見其中一條裂紋長度達２ mm,裂紋擴展方向與亮線的水平方向一致,且裂紋形態較為剛直,如圖 １３ 所示.將視場放大至１００００倍,如圖１４所示,可見裂紋的特征形態更為清晰,經測量,裂紋寬度為１．４μm,裂紋兩側較為平整,裂紋內清晰可見韌窩和撕裂棱線,表現出應力開裂裂紋的特征形貌[５].
采用掃描電鏡能譜儀(EDS),對亮線區域及正常區域進行微區化學成分檢測,測試結果如圖１５和圖１６所示.測試區為圖１５和圖１６中的譜圖１和譜圖２,譜圖１為亮線區域,譜圖２為正常區域.為了便于區分視場,圖示中部色澤較深的條紋是人為繪制的標識線.亮線區域與正常區域的鋁、鎂、硅成分偏差極小,其它如碳、氧成分為酒精清洗樣品表面殘留的元素.能譜儀測試結果表明,亮線區域與正常區域的表面材質并無差異.
２ 分析及討論
對于鋁合金溫擠壓加工,最重要是溫度的控制.６０６３鋁合金溫擠壓加工的加熱溫度一般都設定在Mg２Si相析出的溫度范圍內,加熱的時間對 Mg２Si相的析出 有 顯 著 影 響,采 用 快 速 加 熱 可 以 大 為 減 少Mg２Si相的析出[６],其擠壓溫度視不同制品及單位壓力大小來調整.擠壓過程中必須認真控制擠壓速度,
擠壓速度對變形熱效應、變形均勻性、再結晶和固溶過程、制品力學性能及制品表面質量均有重要影響.擠壓速度過快增加了金屬變形的不均勻性[７].鋁合金中框產品溫擠壓過程,是將鋁合金零件加熱到再結晶溫度以下進行加工.該溫度區可以克服材料的變形抗力,使零件易于成型,但同時也使組織難以完全回復再結晶.溫擠壓過程中,變形量最大部位位于零件的中間層.由于晶?；谱冃螄乐?產生大量的位錯堆積,造成該區域的內應力提升,當變形速率增大時,內應力將會顯著增高[８].由于應力的釋放以及彈性應變的交互作用,使得變形量最大的中間層表層產生微小的浮雕凸起,凸起部位在光線的反射下顯示出亮線的條紋.
３ 結論及建議
鋁合金中框產品側面產生亮線的原因,是由于該產品在溫擠壓時變形速率過大,使中間層變形量最大區域未能完全回復再結晶,該區域殘留較大的內應力所導致的.機加工過程中,殘留的內應力得到釋放并重新分布,在變形量最大的區域,內應力分布不均勻,因而在亮線區域形成應力開裂的微裂紋.在鋁合金溫擠壓加工過程中,必須嚴格執行加工工藝,控制加熱溫度及變形速率.保證組織能夠及時回復再結晶,避免位錯堆積導致內應力的產生.
在機加工時,如果發現產品表面已經存在浮雕凸起的亮線,表明材料的內應力未能及時消除.可以在機加工時進行預留尺寸的粗加工,放置一段時間使產品的內應力得到釋放,在后序的精加工過程中亮線得以消除.
來源：材料與測試網