王 宇， 韓世濤， 王周冰， 孫 巍， 屈玉石， 劉 歡

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著現(xiàn)代交通工具的快速發(fā)展，對材料的性能要求越來越高。鋁合金制品因其質(zhì)輕、耐腐蝕性好、拉伸性能高等特點，可實現(xiàn)其型材的大型寬體化。為此鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當今世界各國研究的熱點。6005A鋁合金具有中等強度、可焊性和耐腐蝕性優(yōu)良的特點，特別是其優(yōu)良的擠壓性能，使其作為車輛用大截面薄壁中空擠壓型材得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。有時由于擠壓的制品在低倍試樣上呈現(xiàn)小斷線裂縫，長短不一，分布于型材的較大變形區(qū)，該缺陷為氧化膜。氧化膜在低倍試樣上呈短線狀裂縫，多集中于最大變形部位并沿金屬流線方向分布[3]。很少技術(shù)資料顯示關(guān)于型材上的氧化膜的形成原因，在檢測過程中也很少出現(xiàn)氧化膜缺陷[4]。因此有必要分析研究6005A地鐵鋁型材氧化膜缺陷，本文通過研究對比分析氧化膜的金相檢測、力學性能及斷口形貌，對工藝研究和鋁合金加工技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

本文選用鑄錠規(guī)格為Φ446mm×1390mm的6005A鋁合金鑄錠，其成分見表1。試驗選用型材米重20.741kg/m，型材斷面如圖1所示。通過75MN擠壓機對6005A-T6試樣進行擠壓生產(chǎn)。擠壓前進行車皮10mm，有利于提高鑄錠表面光潔度。擠壓工藝參數(shù)為，鑄錠Φ446mm，擠壓噸位75MN，擠壓比21.6，模具溫度490℃～510℃，鑄錠溫度510℃～530℃，擠壓速度1.20m/min～1.50m/min，穿水冷卻水。生產(chǎn)工藝流程為，鑄錠加熱→擠壓→淬火→拉伸矯直→成品鋸切→人工時效→驗收→交貨。本實驗分別通過力學性能、金相檢測、斷口形貌對比分析氧化膜缺陷。

表1 6005A 合金化學成分(wt.%)

圖1 型材斷面圖Fig.1 Profile of profile

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學性能分析

選取6005A-T6合金狀態(tài)的有氧化膜缺陷區(qū)域的試樣和同批次無缺陷同區(qū)域的試樣。使用日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗機對其試樣進行力學性能檢測，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，無氧化膜缺陷的試樣屈服強度和抗拉強度均高于標準要求的強度值，并且斷后伸長率大于標準數(shù)值，符合客戶要求。有氧化膜缺陷的試樣屈服強度約為無氧化膜缺陷試樣屈服強度的50%，抗拉強度略大于50%，斷后伸長率遠低于標準值，屬于不合格品。由此可見氧化膜的出現(xiàn)嚴重降低力學性能，在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以控制。

表2 力學性能試驗對比數(shù)據(jù)

2.2 宏觀低倍組織分析

分別對有氧化膜缺陷試樣和無氧化膜缺陷試樣進行金相低倍組織檢驗。具體檢驗過程如下：

(1)把洗削加工好的試樣放入20℃～35℃，濃度為15%～25%的NaOH溶液中，腐蝕20 min ～30min；

(2)將試樣取出迅速轉(zhuǎn)入流動的清水中沖洗，然后再放入20%～30%的HNO3溶液中，酸洗15min，除去黑色堿蝕產(chǎn)物達到清潔；

(3)將試樣取出用流動的清水沖洗干凈，進行觀察，其低倍組織如圖3所示。根據(jù)國家高鐵標準要求(表3)，對腐蝕后的型材進行檢驗。

首先定性分析缺陷類別，然后定量分析，根據(jù)標準要求判定是否超出標準值。本實驗測定氧化膜集中位置1為每點氧化膜長度在0.3mm～2.0mm范圍多于4點；位置2為存在每點氧化膜長度大于2.0mm；均超出標準值屬不合格，如圖3所示。圖3(a)為腐蝕后無氧化膜且無其他缺陷的合格試樣；圖3(b)為腐蝕后有氧化膜缺陷試樣且位置1和位置2氧化膜分布最為嚴重，具體氧化膜缺陷由重到輕依次為位置2>位置1>位置3>位置4，位置4為無氧化膜也無其他缺陷；圖3(c)為圖3(b)的局部放大缺陷圖。本實驗通過宏觀金相組織檢驗重點對比位置2處有無氧化膜缺陷，在腐蝕后氧化膜低倍試樣上呈現(xiàn)小斷線裂縫，長短不一小分層現(xiàn)象，分布于型材的較大變形區(qū)，有時呈現(xiàn)點狀，腐蝕后經(jīng)肉眼易清晰辨別。該氧化膜缺陷存在時嚴重影響破壞組織的連續(xù)性，進而導致型材的力學性能降低。

表3 型材低倍組織試樣上的氧化膜要求

(a)無缺陷； (b) 氧化膜； (c) 氧化膜局部缺陷圖3 經(jīng)腐蝕后型材截面圖Fig.3 Sectional profiles after corrosion

3.3 氧化膜斷口分析

采用鋁型材壓力試驗機對腐蝕后的1、2、3位置試樣進行氧化膜集中區(qū)域壓斷試驗，與無氧化膜的位置4和無缺陷的試樣斷口進行對比。氧化膜缺陷斷口表面宏觀形態(tài)如圖4所示，圖4為圖3(a)(b)兩個試樣的斷口分析。圖4(a)為圖3(b)中位置3斷口形貌，斷口特征為一棱一棱小亮線狀；圖4(b)為圖3(b)中位置2斷口形貌，斷口特征為面積較大銀灰色片狀；圖4(c)為圖3(b)中位置1斷口形貌，斷口特征為平齊脆性陶瓷狀；圖4(d)為圖3(b)中位置4斷口形貌，斷口特征為凹凸纖維鋸齒狀；圖4(e)為圖3(a)中位置2斷口形貌，斷口特征同圖4(d)一樣斷口特征為凹凸纖維鋸齒狀。可以看出，有氧化膜缺陷試樣斷口處呈比較規(guī)則的小平臺，對稱或?qū)ε嫉胤植荚跀嗫趦蓚?cè)，斷裂方式為脆性斷裂，其斷口組織為灰色、銀灰色片狀物。無氧化膜缺陷的試樣斷口呈纖維鋸齒狀，斷裂方式為韌性斷裂。

(a)氧化膜1； (b) 氧化膜2； (c) 氧化膜3； (d) 無氧化膜； (e) 無缺陷圖4 氧化膜斷口表面宏觀形態(tài)Fig. 4 Macro morphology of oxide film fracture surface

3.4 顯微組織分析

通過體式顯微鏡對上述5種斷口試樣進行斷口表面形貌觀察，如圖5所示。可知，宏觀組織斷口形貌圖4中(a)(b)(c)(d)(e)與微觀組織斷口形貌圖5中(a)(b)(c)(d)(e)一致，可以看出有氧化膜呈比較規(guī)則整齊的陶瓷狀斷面。面積占整體斷口面積從大到小順序依次為(b)>(c)>(a)>(d)=(e)；圖5中(d)(e)為無氧化膜試樣斷口呈凹凸纖維鋸齒狀。

(a)氧化膜1； (b) 氧化膜2； (c) 氧化膜3； (d) 無氧化膜4； (e) 無缺陷氧化膜2圖5 斷口微觀形貌Fig. 5 Microscopic appearance of fracture

分別截取如圖3(a)(b)所示位置2的兩個試樣，通過高倍材料顯微鏡對其腐蝕前和腐蝕后進行組織分析。觀察圖6及圖7可知，圖6為腐蝕前有氧化膜缺陷和無氧化膜兩組試樣對比分析。

(a)氧化膜腐蝕前； (b) 無氧化膜2； (c) A區(qū)放大圖6 位置2氧化膜腐蝕前高倍組織形貌Fig.6 High-power morphology before position 2 oxide film corrosion

圖6(a)中A為位置2處氧化膜主體區(qū)域，可以看出氧化膜呈黑色的凹坑，并向制品內(nèi)部滲延。圖6(b)為組織完好且無其他任何缺陷。圖6(c)為圖6(a)的局部區(qū)域放大缺陷圖。光學顯微鏡下觀察其組織為窩紋狀或沿晶界邊界分布的條狀物。圖7(a)為腐蝕后有氧化膜缺陷組織特征，腐蝕后的氧化膜好像金屬瘤一般向制品內(nèi)部下凹，成不定形特征。圖7(b)為無缺陷組織均勻特征。

圖7 位置2氧化膜腐蝕后高倍組織形貌Fig.7 High-power morphology after position 2 oxide film corrosion

4 結(jié)論

氧化膜這種缺陷的出現(xiàn)與制品的變形程度、加工方式和熱處理制度有關(guān)，合金如不經(jīng)變形和熱處理難以發(fā)現(xiàn)[4]。試驗通過采用75MN擠壓機對6005A-T6試樣進行擠壓所生產(chǎn)的型材，對其進行檢驗分析，得出以下結(jié)論：

(1)有氧化膜缺陷的試樣屈服強度約為無氧化膜缺陷試樣屈服強度的50%，抗拉強度略大于50%，斷后伸長率遠低于標準值，由此可見氧化膜的出現(xiàn)嚴重降低力學性能，在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以控制。通過力學性能檢測可知有氧化膜缺陷不像無氧化膜試樣那樣，擠壓時都被鋁型材料所填滿，由于該缺陷被氧化膜分成兩個部分，降低力學性能強度。

(2)在低倍試樣上呈現(xiàn)小斷線裂縫，長短不一，分布于型材的較大變形區(qū)，有時呈現(xiàn)點狀。該缺陷存在時嚴重影響破壞組織的連續(xù)性。根據(jù)國家高鐵標準要求，在宏觀金相檢驗中可以理解為破壞組織連續(xù)性的條形或帶狀夾渣。在擠壓型材一般出現(xiàn)很少，也很少有相關(guān)技術(shù)資料顯示該缺陷形成的原因及解決方案。

(3)有氧化膜缺陷試樣斷口處呈現(xiàn)比較規(guī)則的小平臺，對稱或?qū)ε嫉胤植荚跀嗫趦蓚?cè)，斷裂方式為脆性斷裂。無氧化膜缺陷的試樣斷口呈纖維鋸齒狀，斷裂方式為韌性斷裂。通過分析斷口形貌可知氧化膜在斷口處表現(xiàn)為小分層現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中保證工模具、擠壓筒及鑄錠表面清潔、干燥、無油污，能夠有效避免氧化膜產(chǎn)生。