浦儉英，李其榮，怯喜周，吳桂蘭，袁 鵬，周曉俊

(亞太輕合金南通科技有限公司，江蘇 海安 226600)

4×××系鋁合金是以Si為主要合金化元素的鋁合金，其大多數(shù)屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，該系鋁合金由于硅含量高、熔點(diǎn)低、熔體的流動(dòng)性好、容易補(bǔ)縮等特點(diǎn)，具有低的線膨脹系數(shù)，良好的耐磨性，高溫強(qiáng)度高，工藝性能較好，廣泛應(yīng)用于航空、內(nèi)燃機(jī)、汽車、電子工業(yè)等領(lǐng)域[1]。針對(duì)4032鋁合金擠壓圓棒鍛造加工后表面出現(xiàn)的凹坑缺陷，借助光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析了缺陷形貌、成分及產(chǎn)生的原因[2-3]。

1 4032鋁合金鍛件凹坑缺陷的形貌及其成分

1.1 鍛件凹坑的缺陷宏觀形貌

我公司擠壓的4032鋁合金擠壓圓棒供給用戶，用戶對(duì)圓棒進(jìn)行鍛造獲得不同形狀的零件，鍛件表面出現(xiàn)類似凹坑的缺陷，如圖1所示。

對(duì)缺陷樣件按照以下步驟來分析： 1)光譜成分分析；2)堿腐蝕后體式顯微鏡觀察；3)用掃描電鏡對(duì)缺陷做SEM和EDS分析。

圖1 凹坑缺陷的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of pit defects

1.2 凹坑缺陷的化學(xué)成分

對(duì)有缺陷的試樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯龀煞衷趪鴺?biāo)范圍內(nèi)，沒有明顯異常。

1.3 體式顯微鏡觀察

在體式顯微鏡下觀察缺陷(如圖2所示)，可以看出凹坑內(nèi)部為不規(guī)則的、亮黑色的、片狀的非金屬物質(zhì)，凹坑大小約為2.69 mm。

圖2 凹坑缺陷照片F(xiàn)ig.2 Image of pit defects

表1 4032鋁合金有缺陷試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 4032 aluminum alloy defective specimen(wt/%)

1.4 SEM/EDS能譜分析

在掃描電子顯微鏡下觀察凹坑內(nèi)部，形貌圖如圖3所示。由圖3可以看到，該缺陷的斷口呈層片狀，斷口比較光滑、無明顯的斷裂韌窩形貌，說明該缺陷掉落時(shí)未經(jīng)明顯的塑性變形就發(fā)生了斷裂，為典型的解理脆性斷裂，掉落物較脆且硬度較高[4-5]。

圖3 斷口形貌圖Fig.3 Fracture morphologies

對(duì)斷口進(jìn)行EDS掃描分析，在圖4中缺陷區(qū)域1#主要含有Si和O(如表2所示)，其次還有Na和Mg，判斷表面應(yīng)為Al2O3、Mg2Si和多余的Si。

在圖5中缺陷區(qū)域2#的EDS能譜顯示為純Si(如表3所示)。

圖4 缺陷區(qū)域1#的斷口SEM圖Fig.4 SEM morphology of fracture in defect area 1#

表2 圖4中缺陷區(qū)域1#的EDS元素分析Table 2 EDS element analysis in defect area 1# of Fig.4

圖5 缺陷區(qū)域2#的斷口SEM圖Fig.5 SEM morphology of fracture in defect area 2#

表3 圖5中缺陷區(qū)域2#的EDS元素分析Table 3 EDS element analysis for defect area 2# of Fig.5

2 凹坑缺陷產(chǎn)生的原因

從形貌及EDS能譜可以推斷出：亮黑色、層片狀的缺陷為Si。查看車間的生產(chǎn)過程記錄可以發(fā)現(xiàn)，該批次的產(chǎn)品在爐內(nèi)熔煉時(shí)由于元素Si的成分不合格，一共補(bǔ)加Si三次，加完Si之后一般都是關(guān)上爐門保溫幾分鐘即進(jìn)行下一道工序，但是相對(duì)于鋁合金來說，Si的熔點(diǎn)很高，可達(dá)到1 400 ℃。補(bǔ)加Si之后保溫幾分鐘并不能保證Si完全熔化。若在鋁合金熔鑄生產(chǎn)中加入純Si，需要提高鋁液的溫度才能使之完全熔化，這樣操作會(huì)明顯增加能量消耗，而且會(huì)大大造成Al和Si的燒損，隨后鑄造的鑄錠質(zhì)量也會(huì)下降。從生產(chǎn)過程控制的記錄看并未發(fā)現(xiàn)鋁合金熔煉溫度有明顯升高，故可以推斷補(bǔ)加的Si沒有完全熔化，鑄造時(shí)一并流入鑄錠中。鑄錠經(jīng)過擠壓成圓棒，Si既硬又脆且難溶，無論是后續(xù)的熱處理或者變形加工都不能將其消除，只能在塑性加工變形過程中破碎，由于熔鑄時(shí)Si與基體結(jié)合較強(qiáng)，鍛造加工時(shí)會(huì)拉動(dòng)基體撕裂進(jìn)而跟周圍的基體一起掉落，即形成圖2所示大小的坑。

在鋁合金生產(chǎn)中，大都將高熔點(diǎn)的難熔Si先制備成含量較高的Al-Si中間合金，中間合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純Si的。w(Si)=20%的Al-Si中間合金其熔點(diǎn)只有570 ℃左右，鋁合金熔化過程中Si以中間合金的形式加入，就可以把Si完全熔化。為了避免類似缺陷再次發(fā)生，對(duì)熔煉車間做出嚴(yán)格規(guī)定：熔煉之前嚴(yán)格計(jì)算配料中Si的添加量，在熔煉過程中爐前分析若發(fā)現(xiàn)Si成分不合格時(shí)，只能補(bǔ)加Al-Si中間合金，嚴(yán)禁補(bǔ)加純Si。

3 結(jié) 論

1)4032鋁合金鍛件的凹坑缺陷為不規(guī)則的、亮黑色的、片狀的非金屬物質(zhì)，其大小約為2.69 mm；

2)該缺陷成分為Si，其產(chǎn)生的原因：合金熔煉時(shí)發(fā)現(xiàn)Si成分低于用戶要求的標(biāo)準(zhǔn)值，補(bǔ)加Si后未完全熔化導(dǎo)致的。后來做出規(guī)定：熔化過程中發(fā)現(xiàn)Si成分不合格時(shí)，嚴(yán)禁補(bǔ)加純Si，只允許補(bǔ)加Al-Si中間合金。