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(zhì)量監(jiān)督檢測中心,東莞 ５２３８０８;２．國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,東莞 ５２３８０８)

    摘 要:６０６３鋁合金中框產(chǎn)品經(jīng)溫擠壓加工,側(cè)面中心出現(xiàn)一條亮線,陽極化處理仍然無法消除.通過化學(xué)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(chǎn)品側(cè)面亮線成因進行了分析.結(jié)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(nèi)應(yīng)力,由于內(nèi)應(yīng)力分布不均勻,導(dǎo)致亮線區(qū)域形成并在亮線區(qū)域形成應(yīng)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(fù)再結(jié)晶,可有效避免該亮線的產(chǎn)生.

    關(guān)鍵詞:鋁合金;亮線;應(yīng)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(yōu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種型材,或鍛造成結(jié)構(gòu)復(fù)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(yōu)良,無應(yīng)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(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)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(chǎn)品,加工工藝流程為板材下料→溫擠壓成型→數(shù)控加工中心(CNC)精加工→發(fā)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(fā)現(xiàn)樣品側(cè)面存在一條顏色發(fā)亮的條紋,亮線條紋剛好位于側(cè)面中間,并貫穿產(chǎn)品側(cè)面的四周,如圖２所示.據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場統(tǒng)計,這類缺陷造成的產(chǎn)品不良率達２０％.針對該產(chǎn)品 CNC精加工過程中產(chǎn)品側(cè)面出現(xiàn)亮線條紋問題,筆者采用化學(xué)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(chǎn)生的原因,以期杜絕類似質(zhì)量問題的再發(fā)生.

１ 理化檢驗

１．１ 化學(xué)成分分析

    從該鋁合金中框產(chǎn)品上截取試樣,進行化學(xué)成分檢測,檢測結(jié)果見表 １,依據(jù) GB/T３１９０－２００８«變形鋁及鋁合金化學(xué)成分»判定.結(jié)果表明,化學(xué)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(cè)面亮線區(qū)域試樣,分別編號為１~５號,對樣品表面進行硬度測試,依據(jù) 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(jié)果見表２,可見亮線區(qū)域比正常區(qū)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(cè)面表面進行觀察,如圖３和圖４所示,為了顯示亮線區(qū)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(qū)域與正常區(qū)域的色澤有明顯的差異.經(jīng)測量,亮線區(qū)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(qū)域表面出現(xiàn)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(cè)區(qū)域,圖６所示為裂紋下側(cè)區(qū)域,都存在明顯的浮雕凸起.由于金相顯微鏡的景深較低,當(dāng)凹陷部位紋路微調(diào)清晰了,凸起的部位就顯得模糊.因此,推測裂紋兩側(cè)存在一定的高度差[１].

     沿該鋁合金中框側(cè)面的水平方向截取試樣,經(jīng)打磨、拋光及腐蝕后檢測,正常區(qū)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(zhì)相,表明材料經(jīng)過固溶及時效處理.亮線區(qū)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(zhì)相＋沿晶分布的第二相,沿晶析出的第二相組織已經(jīng)形成連續(xù)網(wǎng)狀.網(wǎng)狀組織的形成與晶界滑移的位錯堆積有關(guān),位錯堆積越明顯的區(qū)域,沿位錯線及晶界析出的網(wǎng)狀組織就越明顯,這種沿晶析出的網(wǎng)狀組織,使材料強度降低且脆性增大[２].

    沿該鋁合金中框側(cè)面的垂直方向,截取試樣進行金相檢測,正常區(qū)域組織為 αＧAl固溶相 ＋ 彌散Mg２Si強化相＋未溶 AlMnFeSi雜質(zhì)相,如圖９所示.亮線區(qū)域(如圖１０所示)與正常區(qū)域的組織形態(tài)大致相同,但亮線區(qū)域表層彌散分布的強化相更為密集.當(dāng)該區(qū)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(qū)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(zhì)相也明顯增多,亮線區(qū)域密集分布強化相,是變形后顯微組織未能完全回復(fù)再結(jié)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(shè)備對亮線區(qū)域進行掃描,如圖１１所示,可見亮線區(qū)域表面清晰,亮線區(qū)域的凸起更為明顯,下半部為亮線區(qū)域的凸起部位.Inlens電子束只是表層１０μm 以內(nèi)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(shù)目影響不大,難以區(qū)分亮線區(qū)域凸起的形貌特征.

    采用SE２電子束成像對亮線區(qū)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(qū)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(qū)域存在明顯高度差的顯微凸起.

    對亮線區(qū)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(tài)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(tài)更為清晰,經(jīng)測量,裂紋寬度為１．４μm,裂紋兩側(cè)較為平整,裂紋內(nèi)清晰可見韌窩和撕裂棱線,表現(xiàn)出應(yīng)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(qū)域及正常區(qū)域進行微區(qū)化學(xué)成分檢測,測試結(jié)果如圖１５和圖１６所示.測試區(qū)為圖１５和圖１６中的譜圖１和譜圖２,譜圖１為亮線區(qū)域,譜圖２為正常區(qū)域.為了便于區(qū)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(qū)域與正常區(qū)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(jié)果表明,亮線區(qū)域與正常區(qū)域的表面材質(zhì)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(shè)定在Mg２Si相析出的溫度范圍內(nèi),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(diào)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(yīng)、變形均勻性、再結(jié)晶和固溶過程、制品力學(xué)性能及制品表面質(zhì)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(chǎn)品溫擠壓過程,是將鋁合金零件加熱到再結(jié)晶溫度以下進行加工.該溫度區(qū)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(fù)再結(jié)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(chǎn)生大量的位錯堆積,造成該區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力提升,當(dāng)變形速率增大時,內(nèi)應(yīng)力將會顯著增高[８].由于應(yīng)力的釋放以及彈性應(yīng)變的交互作用,使得變形量最大的中間層表層產(chǎn)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(jié)論及建議

    鋁合金中框產(chǎn)品側(cè)面產(chǎn)生亮線的原因,是由于該產(chǎn)品在溫擠壓時變形速率過大,使中間層變形量最大區(qū)域未能完全回復(fù)再結(jié)晶,該區(qū)域殘留較大的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致的.機加工過程中,殘留的內(nèi)應(yīng)力得到釋放并重新分布,在變形量最大的區(qū)域,內(nèi)應(yīng)力分布不均勻,因而在亮線區(qū)域形成應(yīng)力開裂的微裂紋.在鋁合金溫擠壓加工過程中,必須嚴格執(zhí)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(fù)再結(jié)晶,避免位錯堆積導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生.

在機加工時,如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品表面已經(jīng)存在浮雕凸起的亮線,表明材料的內(nèi)應(yīng)力未能及時消除.可以在機加工時進行預(yù)留尺寸的粗加工,放置一段時間使產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力得到釋放,在后序的精加工過程中亮線得以消除.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 3期 > pp.198）