金林奎１ ２,欧海龙１ ２,邹文奇１ ２,廖森梁１ ２,黄持伟１ ２
(１．广东省东莞市质量监督检测中心,东莞 ５２３８０８;２．国家模具产品质量监督检验中心,东莞 ５２３８０８)
摘 要:６０６３铝合金中框产品经温挤压加工,侧面中心出现一条亮线,阳极化处理仍然无法消除.通过化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜及能谱分析等方法,对铝合金中框产品侧面亮线成因进行了分析.结果表明:工件在温挤压时变形速率过大,使中间层残留较大的内应力,由于内应力分布不均匀,导致亮线区域形成并在亮线区域形成应力开裂的微裂纹.在铝合金温挤压加工过程中,控制加热温度及变形速率,保证组织能够及时回复再结晶,可有效避免该亮线的产生.
关键词:铝合金;亮线;应力集中;裂纹
中图分类号:TG１４７;TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０１９８Ｇ０５
６０６３铝合金属于低合金的铝Ｇ镁Ｇ硅系高塑性合金,主要合金元素为镁和硅,具有优良的机加工性能,并能够进行热处理强化,冲击韧性高且对缺口不敏感,有极好的热塑性,可以高速挤压成结构复杂的各种型材,或锻造成结构复杂的锻件.此系合金的淬火温度范围宽,淬火敏感性低,挤压和锻造脱模后,只要温度高于淬火温度,即可用喷水或穿水的方法淬火.并且焊接性能和耐蚀性优良,无应力腐蚀开裂倾向,在热处理可强化的铝合金中,铝Ｇ镁Ｇ硅系合金是唯一没有发现应力腐蚀开裂现象的铝合金.此系合金机加工后表面十分光洁,容易阳极氧化和着色.该６０６３铝合金中框产品,加工工艺流程为板材下料→温挤压成型→数控加工中心(CNC)精加工→发黑处理→成品.图１为 CNC精加工后的半成品,铝合金中框外形尺寸为８０ mm×７０ mm×１０ mm(长×宽×高).
在CNC精加工过程中,发现样品侧面存在一条颜色发亮的条纹,亮线条纹刚好位于侧面中间,并贯穿产品侧面的四周,如图２所示.据生产现场统计,这类缺陷造成的产品不良率达２０％.针对该产品 CNC精加工过程中产品侧面出现亮线条纹问题,笔者采用化学成分分析、金相检验、硬度检测、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了亮线条纹产生的原因,以期杜绝类似质量问题的再发生.
１ 理化检验
１．１ 化学成分分析
从该铝合金中框产品上截取试样,进行化学成分检测,检测结果见表 １,依据 GB/T３１９０－２００８«变形铝及铝合金化学成分»判定.结果表明,化学成分符合标准要求.
１．２ 硬度测试
从该铝合金中框半成品上截取５块侧面亮线区域试样,分别编号为１~５号,对样品表面进行硬度测试,依据 GB/T４３４０．１－１９９９«金属维氏硬度试验第１部分试验方法»评定,检测结果见表２,可见亮线区域比正常区域的硬度平均值偏高２．４HV０．３.
１．３ 金相检验
采用金相显微镜对该铝合金中框侧面表面进行观察,如图３和图４所示,为了显示亮线区域的外观形貌,未对试样表面进行后序加工处理.可见,亮线区域与正常区域的色泽有明显的差异.经测量,亮线区域的宽度为０．２３~０．５６mm.
金相显微镜倍率进一步增大,可见在亮线区域表面出现多条显微裂纹,裂纹的扩展方向与亮线的水平方向一致.图５所示为裂纹上侧区域,图６所示为裂纹下侧区域,都存在明显的浮雕凸起.由于金相显微镜的景深较低,当凹陷部位纹路微调清晰了,凸起的部位就显得模糊.因此,推测裂纹两侧存在一定的高度差[１].
沿该铝合金中框侧面的水平方向截取试样,经打磨、抛光及腐蚀后检测,正常区域的显微组织如图７所示,为αＧAl固溶相＋弥散 Mg２Si强化相＋少量未溶 AlMnFeSi杂质相,表明材料经过固溶及时效处理.亮线区域组织如图 ８ 所示,为 αＧAl固溶相＋弥散 Mg２Si强化相＋少量未溶 AlMnFeSi杂质相＋沿晶分布的第二相,沿晶析出的第二相组织已经形成连续网状.网状组织的形成与晶界滑移的位错堆积有关,位错堆积越明显的区域,沿位错线及晶界析出的网状组织就越明显,这种沿晶析出的网状组织,使材料强度降低且脆性增大[２].
沿该铝合金中框侧面的垂直方向,截取试样进行金相检测,正常区域组织为 αＧAl固溶相 ＋ 弥散Mg２Si强化相＋未溶 AlMnFeSi杂质相,如图９所示.亮线区域(如图１０所示)与正常区域的组织形态大致相同,但亮线区域表层弥散分布的强化相更为密集.当该区域存在更多的亚晶及位错线,沿亚晶及位错线析出的强化相就更为密集.亮线区域不但表层密集强化相,表层以下的弥散 Mg２Si强化相及未溶 AlMnFeSi杂质相也明显增多,亮线区域密集分布强化相,是变形后显微组织未能完全回复再结晶造成的[３].
１．４ 扫描电镜与能谱分析
采用Inlens电子束成像扫描设备对亮线区域进行扫描,如图１１所示,可见亮线区域表面清晰,亮线区域的凸起更为明显,下半部为亮线区域的凸起部位.Inlens电子束只是表层１０μm 以内的浅层溅射,电子束基本上呈完全反射的二次电子,探测器信号成像反映样品外表层的特征形貌.虽然外观形貌显示清晰,但样品表面高低对反射的二次电子数目影响不大,难以区分亮线区域凸起的形貌特征.
采用SE２电子束成像对亮线区域进行扫描,如图１２所示,可见凸起部位的色泽更为明亮.因为SE２电子束是距表层１００μm 的深层溅射,由于突破电子层势能壁垒,造成电子束能量的损耗,只有部位电子跃迁至表层形成二次电子为探测器所接受,样品表面与扫描镜头的距离对 SE２二次电子反射的效果影响较大,因此距扫描电镜镜头越近的亮线区域凸起部位,探测器所接受的二次电子信号就越多,凸起部位成像就越明亮[４].因而可以确定,亮线区域存在明显高度差的显微凸起.
对亮线区域的表面微裂纹进行观察,可见其中一条裂纹长度达２ mm,裂纹扩展方向与亮线的水平方向一致,且裂纹形态较为刚直,如图 １３ 所示.将视场放大至１００００倍,如图１４所示,可见裂纹的特征形态更为清晰,经测量,裂纹宽度为１．４μm,裂纹两侧较为平整,裂纹内清晰可见韧窝和撕裂棱线,表现出应力开裂裂纹的特征形貌[５].
采用扫描电镜能谱仪(EDS),对亮线区域及正常区域进行微区化学成分检测,测试结果如图１５和图１６所示.测试区为图１５和图１６中的谱图１和谱图２,谱图１为亮线区域,谱图２为正常区域.为了便于区分视场,图示中部色泽较深的条纹是人为绘制的标识线.亮线区域与正常区域的铝、镁、硅成分偏差极小,其它如碳、氧成分为酒精清洗样品表面残留的元素.能谱仪测试结果表明,亮线区域与正常区域的表面材质并无差异。
２ 分析及讨论
对于铝合金温挤压加工,最重要是温度的控制.６０６３铝合金温挤压加工的加热温度一般都设定在Mg２Si相析出的温度范围内,加热的时间对 Mg２Si相的析出 有 显 著 影 响,采 用 快 速 加 热 可 以 大 为 减 少Mg２Si相的析出[６],其挤压温度视不同制品及单位压力大小来调整.挤压过程中必须认真控制挤压速度,挤压速度对变形热效应、变形均匀性、再结晶和固溶过程、制品力学性能及制品表面质量均有重要影响.挤压速度过快增加了金属变形的不均匀性[７].铝合金中框产品温挤压过程,是将铝合金零件加热到再结晶温度以下进行加工.该温度区可以克服材料的变形抗力,使零件易于成型,但同时也使组织难以完全回复再结晶.温挤压过程中,变形量最大部位位于零件的中间层.由于晶粒滑移变形严重,产生大量的位错堆积,造成该区域的内应力提升,当变形速率增大时,内应力将会显著增高[８].由于应力的释放以及弹性应变的交互作用,使得变形量最大的中间层表层产生微小的浮雕凸起,凸起部位在光线的反射下显示出亮线的条纹.
３ 结论及建议
铝合金中框产品侧面产生亮线的原因,是由于该产品在温挤压时变形速率过大,使中间层变形量最大区域未能完全回复再结晶,该区域残留较大的内应力所导致的.机加工过程中,残留的内应力得到释放并重新分布,在变形量最大的区域,内应力分布不均匀,因而在亮线区域形成应力开裂的微裂纹.在铝合金温挤压加工过程中,必须严格执行加工工艺,控制加热温度及变形速率.保证组织能够及时回复再结晶,避免位错堆积导致内应力的产生.
在机加工时,如果发现产品表面已经存在浮雕凸起的亮线,表明材料的内应力未能及时消除.可以在机加工时进行预留尺寸的粗加工,放置一段时间使产品的内应力得到释放,在后序的精加工过程中亮线得以消除.