汽车刹车系统用高硅铝合金挤压型材表面气泡缺陷研究

杨梦楠

（山东诺维科轻量化装备有限公司，龙口 265705）

汽车刹车系统用高硅铝合金挤压型材表面气泡缺陷研究

杨梦楠

（山东诺维科轻量化装备有限公司，龙口 265705）

研究分析了一种用于汽车刹车系统的铝合金型材表面气泡缺陷的问题。观察了缺陷的宏观表征与显微组织，从铸造、挤压以及离线淬火等方面分析了气泡形成原因，明确气泡缺陷是在挤压工序中产生的。通过挤压实验成功地解决了气泡缺陷，提高了产品的成品率。

汽车用铝合金；挤压；离线淬火；表面气泡

0 前言

随着汽车轻量化技术的不断发展，铝合金在汽车制造中的应用范围越来越广泛，对其质量与性能的要求也日益提高[1]。为抢占汽车零部件市场，我公司研究开发了多种汽车用铝合金型材，包括刹车系统阀块、悬挂系统控制臂、发动机安装托架、保险杠等，并为满足市场需求与客户使用要求不断对产品进行提升优化。在实际生产中，检测到一种ABS阀块型材在淬火后出现大批量的表面气泡的现象，该种表面缺陷的产生严重影响了产品的后续加工和使用，造成型材报废等不必要的损失。为解决该项难题，本文针对气泡缺陷展开研究。

1 气泡缺陷及原因分析

1.1 气泡形貌

1.1.1 宏观观察

淬火后发现有部分型材表面出现如图1所示的大小不一的连续凸起，多位于型材边部，沿着挤压方向排布。

图1 淬火后型材表面气泡形貌

1.1.2 金相观察

观察该缺陷处的显微组织。对金相试样进行机械抛光处理，用keller试剂(2mL HF+3mL HCl+5mL HNO3+95mL H2O)进行腐蚀，采用Olympus显微镜对其进行金相组织观察。如图2所示，缺陷表皮金属隆起与基体间形成空腔，依然分布在型材边部，且沿着挤压方向，与以上型材宏观形貌特征一致。

图2 淬火后型材截面金相

1.1.3 扫描电镜观察

为确定缺陷的内部物质成分，对其进行成分分析。表1结果显示缺陷成分主要为碳，此外无其他异常元素，因此可排除有夹杂的可能，该缺陷为空心的气泡。

表1 缺陷内部物质成分

1.2 气泡产生原因

由以往的研究可知，铸造、挤压以及淬火工序均可能造成型材表面气泡[2]。

铸造方面，因夏季空气湿度大，造成铸棒含氢量过高。在挤压变形过程中，氢发生析出与集聚，形成金属分层。在固溶加热时金属分层内的气体发生膨胀，当内压力超过表皮金属抗拉强度时，表皮金属便发生凸起形成气泡。

挤压方面，铸棒与挤压杆、模具、剪刀均有紧密接触，挤压时均有可能卷入空气、离型剂、油污等杂物，随着金属流动带入到型材中，形成夹层或微裂缝。当缺陷处在固溶处理加热时，缺陷中的气体急剧膨胀在金属表面出现气泡[3]。

离线淬火过程中，当空气湿度过大时，型材表面会与氢原子作用生成气泡。但在实际生产中，热处理过程一般不会产生废品，因为在空炉后再次使用前都要烘炉，使炉内潮气散尽，尽量消除气体渗透产生表面气泡。而淬火温度和淬火速度对棒材表面气泡的产生均无明显影响[4]。

由于本文研究的气泡中含有大量的碳，我们排除了铸棒氢含量过高这一可能因素。此外，对比图3中型材淬火前后的缺陷金相组织，可观察到淬火前型材边部已出现沿着挤压方向的线状“裂纹”，经过离线淬火后该处“裂纹”变为凸起的气泡。由此可知，型材表面气泡在淬火前已经形成，在离线淬火过程中经高温保温，气泡逐渐扩张，淬火出炉后则显现为图1中的宏观形貌。因此，排除了离线淬火这一因素，确定气泡是由挤压过程中混入的异物造成的。

图3 淬火前后型材截面金相

表2 气泡产生原因

分析总结挤压过程中可能造成气泡的原因，并将影响因素列于表2。针对以上可能原因，进行挤压实验来验证。

2 试验方法

2.1 合金元素

本次挤压实验使用的是一种专用于汽车ABS阀块的Al-Mg-Si系铝合金，表3为该合金元素配比。

表3 汽车用Al-Mg-Si系铝合金化学成分(质量分数%)

2.2 挤压工艺

选用半连续铸造的ϕ440mm规格铝棒，采用电磁加热炉高频梯度加热、7000t单动正向挤压机（DANIELI），以及考迈托在线淬火装置进行等温匀速挤压。挤压工艺参数详见表4。

表4 挤压工艺参数

2.3 挤压操作

根据以上的原因分析，结合实际生产中挤压机运行结构[5]（如图4所示），本次实验从模具、剪刀、挤压杆、铝棒和残锭剪切五个方面来进行改善：规范离型剂的喷涂方向以及位置，在模具出口处往入口方向均匀喷涂2次；在剪刀背面、挤压杆表面不允许有离型剂，防止挤压时卷入到型材中；选用表面光滑洁净、无磕碰伤的铝棒，避免在挤压过程中带入油污或形成气体缝隙；更换刀刃锋利的剪刀，确保残锭剪切平整无缝隙。

图4 挤压机示意图

2.4 离线淬火

采用4m×4m×4.5m规格淬火炉，实验淬火工艺：升温2～4h至510～550℃，保温1.5～3h后水淬。

3 实验结果

通过以上挤压实验，型材经过离线淬火后，表面光亮平整，无气泡产生，如图5所示。

图5 实验型材表面

4 结论

（1）铸造、挤压以及淬火工序等均可造成型材表面气泡。经气泡宏观组织观察、淬火前后金相组织对比以及气泡元素含量分析，确定型材表面气泡是由于挤压操作不当造成的。

（2）通过规范模具、剪刀、挤压垫片上的离型剂喷涂方式，加强铸棒表面的清洁度，提高残锭剪切的质量，成功地解决了型材表面气泡缺陷，提升了型材成品率。

[1]刘静安,刘志铭.铝合金挤压工业及技术和装备发展现状与趋势[J].铝加工，2008(2):4-8

[2]郑超,傅英祥.锻旋铝合金车轮毂表面气泡原因与解决措施[J].铝加工，2008(4)：32-35

[3]蒋建军.6063铝合金挤压型材质量影响因素及解决方法[J].铝加工，2005(2)：35-39

[4]王凤春.2A14铝合金棒材表面气泡的分析[J].轻合金加工技术，2005，33(2)：35-37

[5]肖亚庆，刘静安.铝加工技术实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2012

Study on Surface Bubble Defects of High-silicon Aluminum Alloy Extrusions for Automobile Brake System

YANG Meng-nan
(Shandong Nollvetec Lightweight Equipment Co.,Ltd.,Longkou 265705,China)

The surface bubble defects of aluminum alloy profiles for automobile brake system are studied in this paper.The macroscopic characterization and microstructure of the defects were observed.The causes of bubbles were analyzed from the aspects of casting,extrusion and off-line quenching.It was concluded that the bubble defects were produced in the extrusion process.The bubble defect was successfully solved by extrusion test,and the yield of the product was improved.

aluminum alloys for automobiles;extrusion;off-line quenching;surface bubbles

TG379

A

1005-4898(2017)06-0037-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.07

杨梦楠（1991-），女，黑龙江哈尔滨人，中南大学材料加工专业毕业，助理工程师。

2017-08-21