孫 巍,張 宇,佟偉平,王向杰,李秋梅,王東輝,謝方亮,王麗萍

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實驗室,遼寧 沈陽 110819; 2.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

目前,新能源汽車的節(jié)能減排效應(yīng)逐漸受到各界關(guān)注。電池托盤作為新能源汽車動力電池的主要載體,在維護(hù)電池安全和防止外界干擾等方面起到關(guān)鍵性作用[1-2]。有資料顯示[3],新能源汽車重量很大程度上取決于動力電池的重量。因此,在保證電池托盤整體強(qiáng)度的前提下,輕量化成為汽車企業(yè)及供應(yīng)商研究的目標(biāo)。變形鋁合金具有高的比強(qiáng)度,良好的熱加工性、較好的耐腐蝕性和韌性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件[4]。6005A鋁合金屬于Al-Mg-Si系,為充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢,需對其進(jìn)行加工處理。在實際生產(chǎn)中,新能源汽車電池托盤進(jìn)出水嘴用6005A鋁合金在鍛壓后出現(xiàn)邊部折痕缺陷。該缺陷具有一定隱蔽性,多存在于截面深度1 mm處,表現(xiàn)為黑色細(xì)線條。該缺陷破壞了鍛件組織的一致性,影響安全使用性能,嚴(yán)重降低了成品率。本文作者采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀,對6005A鋁合金鍛件正常位置、缺陷位置進(jìn)行觀察和分析,研究了缺陷產(chǎn)生原因,研究結(jié)果可為后續(xù)生產(chǎn)實踐提供優(yōu)化改進(jìn)方向。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料為邊部存在折痕缺陷的6005A鋁合金鍛造樣件,化學(xué)成分如表1所示。

表1 6005A鋁合金實測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗方法

根據(jù)鍛件缺陷位置,將其切為1#、2#、3#試樣,如圖1所示。制備金相試樣時先用1500#砂紙研磨,再用2.5 μm粒度拋光膏粗拋,最后用0.02 μm粒度拋光液精拋。使用光學(xué)顯微鏡(OM),依據(jù)《GB/T3246.1 顯微組織檢驗方法》進(jìn)行顯微組織檢測。陽極覆膜處理后在偏振光模式下觀測晶粒組織,電解液為硫酸磷酸水溶液(硫酸:磷酸:水的體積比為38∶43∶19)。使用掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜儀(EDS)進(jìn)行微觀組織觀察及微區(qū)成分分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織形貌

圖2為1#～3#試樣邊部顯微組織形貌。根據(jù)檢測結(jié)果可知,鍛件邊部基體中均勻分布黑色、灰色的點(diǎn)狀相,缺陷位置與正常位置邊部顯微組織形貌無明顯區(qū)別。

圖3為1#試樣缺陷位置(邊部深度1 mm處)顯微組織形貌。由圖3可以看出,鍛件折痕位置存在呈帶狀的點(diǎn)狀物密集分布區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)點(diǎn)狀物與正常區(qū)域中點(diǎn)狀相形貌及尺寸近似,但分布密集程度遠(yuǎn)高于正常基體組織。呈帶狀的點(diǎn)狀物密集分布區(qū)域?qū)挾葹?0 μm～100 μm,密集分布區(qū)域邊緣與基體組織存在明顯界限。

2.2 顯微晶粒組織

圖4為1#～3#試樣的顯微晶粒組織形貌。根據(jù)檢測結(jié)果可知,鍛件邊部不同位置晶粒形貌有所不同,其中1#和2#試樣邊部晶粒呈纖維狀,3#試樣邊部晶粒為等軸晶形貌。鍛件心部不同位置晶粒形貌相近,呈等軸晶形貌,但晶粒尺寸略有不同,1#、2#平均晶粒尺寸約為30 μm,3#平均晶粒尺寸約為15 μm。

圖4 鍛件顯微晶粒組織

圖5為1#試樣缺陷位置(邊部深度1 mm處)的晶粒組織形貌。缺陷位置存在多處形狀不規(guī)則的白點(diǎn)(偏光前為黑色),呈線性分布,長度約6.5 mm。以線性分布的白點(diǎn)為界限,上、下部區(qū)域纖維狀晶粒延展方向不同。

圖5 1#試樣缺陷位置晶粒組織形貌

2.3 SEM檢測

圖6為鍛件試樣邊部SEM圖像,第二相EDS分析結(jié)果見表2。對比6005A鋁合金鍛件缺陷位置與正常位置邊部的第二相形貌及組成元素,其中A、C位置第二相為黑色點(diǎn)狀相,其主要組成元素為Al、Mg、Si;C、D位置第二相為灰色點(diǎn)狀相,主要組成元素為Al、Mn、Fe,有的還含有Si元素。根據(jù)檢測結(jié)果可知,鍛件缺陷位置與正常位置邊部第二相形貌及元素組成基本一致。

圖6 鍛件SEM圖像

表2 圖6鍛件邊部各點(diǎn)EDS分析(原子分?jǐn)?shù)/%)

圖7為鍛件折痕缺陷位置SEM圖像。缺陷位置的顯微形貌為點(diǎn)狀物的密集分布區(qū)域,其中黑色點(diǎn)狀物在密集區(qū)域占比較大,密集區(qū)域內(nèi)單個點(diǎn)狀相尺寸約為3 μm。對點(diǎn)狀物進(jìn)行微區(qū)成分分析(EDS),分析結(jié)果見表3。根據(jù)檢測結(jié)果可知,黑色點(diǎn)狀物主要組成元素為Al、Mg、Si,灰色點(diǎn)狀物主要組成元素為Al、Si、Mn、Fe。

圖7 1#試樣黑點(diǎn)聚集位置SEM圖像

表3 圖7b缺陷位置EDS分析(原子分?jǐn)?shù)/%)

對呈帶狀的點(diǎn)狀物密集分布區(qū)域進(jìn)行面掃描,檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 1#試樣黑點(diǎn)聚集位置SEM圖像

由檢測結(jié)果可知,該區(qū)域內(nèi)密集分布的點(diǎn)狀物主要組成元素為Mg、Si,且元素分布位置高度重合,推測黑色點(diǎn)狀相為Mg、Si二元相。Mn、Fe元素在檢測面內(nèi)分布均勻,在點(diǎn)狀物的密集分布區(qū)域沒有明顯增多趨勢。

3 分析討論

鍛件邊部各位置組織無明顯區(qū)別,在折痕位置處(距表面1 mm深度)存在一條呈帶狀的點(diǎn)狀物密集分布區(qū),根據(jù)EDS分析結(jié)果,該位置處點(diǎn)狀物形貌、組成元素與正常組織中的點(diǎn)狀相一致。由于鍛件各位置在熱處理、加工中,受到應(yīng)力、溫度影響程度不同,點(diǎn)狀相數(shù)量及尺寸略有差異。

黑色點(diǎn)狀相主要組成元素為Al、Mg、Si;灰色點(diǎn)狀相主要組成元素為Al、Mn、Fe(Si)。根據(jù)6005A鋁合金元素組成及析出相種類,推測基體中含有Mg、Si元素的點(diǎn)狀相可能為材料經(jīng)熱處理后未完全回溶或重新析出的Mg2Si;含有Mn、Fe、Si元素的點(diǎn)狀相可能是在加工過程中破碎的AlFeMnSi金屬間化合物,該相無法通過熱處理消除或重新析出。SEM面掃描結(jié)果也證實了這一觀點(diǎn),在呈帶狀的點(diǎn)狀相密集分布區(qū)域,密集的點(diǎn)狀相主要含有Mg、Si元素,且Mg、Si元素分布位置高度重合,推測密集分布的點(diǎn)狀相為重新析出的Mg2Si相。而主要組成元素為Mn、Fe的AlFeMnSi金屬間化合物在缺陷位置檢測面內(nèi)分布均勻,無聚集現(xiàn)象。

6005A鋁合金鍛件邊部各位置顯微晶粒形貌并不相同,其中1#和2#試樣邊部晶粒呈纖維狀,3#試樣邊部為等軸晶形貌。鍛造坯料是采用熱頂鑄造生產(chǎn)的鑄錠,其在鍛造前晶粒形貌為均勻分布的等軸晶,具有各向同性的特點(diǎn)。因此,纖維狀晶粒是在鍛造過程產(chǎn)生的。根據(jù)鍛件各位置受到作用力不同,晶粒組織逐漸由球形轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀,其延展方向與受力方向垂直,顯示鍛件內(nèi)部金屬流方向。由此可知,1#、2#試樣位置在鍛造時所受應(yīng)力較大,晶粒組織呈纖維狀。折痕缺陷的顯微組織形貌為呈帶狀分布的點(diǎn)狀相密集分布區(qū)域,以密集區(qū)域為界限,上、下部分晶粒組織均呈纖維狀,但延展方向并不相同。而晶粒的延展方向與內(nèi)部金屬流方向一致,通常與受力方向垂直。因此,在缺陷位置表現(xiàn)出了工件內(nèi)部、表面金屬流方向不一致的特點(diǎn)。根據(jù)上述檢測結(jié)果,推測該缺陷為鍛造過程產(chǎn)生的缺陷,造成該缺陷的原因可能鍛造設(shè)備與鍛件表面存在相對凝滯區(qū),導(dǎo)致工件表面金屬流動方向與內(nèi)部相差過大,形成了紊流。在金屬流交界處相互摩擦,產(chǎn)生了多余的能量,使晶粒內(nèi)部的回溶相(Mg2Si)重新析出,因而形成了由點(diǎn)狀相組成的帶狀密集分布區(qū)。該推測也同樣解釋了為何Mn、Fe元素在點(diǎn)狀相密集分布區(qū)域無聚集現(xiàn)象。因Fe、Mn生產(chǎn)的AlFeMnSi化合物熔點(diǎn)較高,在該合金的加工、熱處理過程中無法回溶或重新析出。

綜上所述,鍛件折痕缺陷主要產(chǎn)生于鍛造階段。由于鍛件局部在鍛造中所受應(yīng)力較大,造成了鍛件表面與內(nèi)部金屬流方向產(chǎn)生差異,在不同方向的金屬流交界處產(chǎn)生了回溶相的重新析出,構(gòu)成了微觀上的析出的密集分布區(qū)域。根據(jù)上述檢測分析結(jié)果,采取以下措施:加強(qiáng)模具與鍛件表面的潤滑,降低鍛造設(shè)備與鍛件表面的摩擦力,避免相對凝滯區(qū)的產(chǎn)生;對工裝進(jìn)行修改,增大模具轉(zhuǎn)角處的圓角半徑及斜度,降低鍛件折疊傾向;降低鍛造應(yīng)力,初擊盡量輕一些,采用多次預(yù)鍛的方式鍛造。后續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品未再出現(xiàn)類似缺陷。

4 結(jié) 論

1)鍛件折痕的宏觀形貌為細(xì)小的黑色線條,在顯微組織觀測中為呈帶狀的點(diǎn)狀物密集分布區(qū)域。EDS分析表明,黑色點(diǎn)狀物主要組成元素為Al、Mg、Si;灰色點(diǎn)狀物主要組成元素為Al、Mn、Fe(Si),點(diǎn)狀物元素組成與正常位置點(diǎn)狀相并無區(qū)別。

2)鍛件邊部各位置因受到力的不同,其顯微晶粒形貌并不相同。呈帶狀分布的點(diǎn)狀物密集分布區(qū)域的上、下部分晶粒均呈纖維狀。而纖維狀晶粒延展方向通常與受力方向垂直,顯示鍛件內(nèi)部金屬流方向。因此鍛件折痕上、下部區(qū)域金屬流方向并不相同。

3)鍛件的邊部折痕主要產(chǎn)生于鍛造階段。由于鍛件局部在鍛造中所受應(yīng)力較大,導(dǎo)致鍛件在鍛壓時內(nèi)部金屬流紊亂,鍛件表面與內(nèi)部金屬流方向不同,在不同方向的金屬流交界處發(fā)生了第二相(Mg2Si)的重新析出,造成了微觀上的點(diǎn)狀第二相密集分布區(qū)域。該缺陷可通過優(yōu)化模具設(shè)計、調(diào)整加工工藝,降低該位置的應(yīng)力來進(jìn)行避免。