车用锻造铝合金表面缺陷浅析

刘 迪，胡忠岐，张新阳，周振新，暴立付

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

随着轻量化汽车的开发与普及，以往使用的汽车结构件多为铸铁材料，而目前高端豪华车多采用铝制锻造材料，质量更轻，强度更高。控制臂是汽车选件很关键的一个安全件，其刚度、强度要求都很高。6082铝合金具有锻造性能好，耐腐蚀性能高，易于机加工，重量又轻[1]。控制臂锻造用的原材料是6082铝合金挤压棒材，近期技术人员在开发Φ100mm的6082铝合金高性能棒材时表面出现细小不连续的颗粒状气泡，为了解决该问题，技术人员对其进行分析并解决，经过多次试验与总结，找到了问题的原因所在。由于该表面气泡有别于以往的常规缺陷，故进行相关总结，以便于同行进行参考，当开发研制同类产品出现此问题时，能够快速找到问题所在。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

用于试验分析的棒材是取自经550℃×4h热处理后，经检测发现表面有气泡缺陷的料样(图1)，合金成分见表1。挤压工艺参数为，模具温度420℃，铸锭温度(头端465℃,尾端458℃)，制品速度4.1m/min，淬火前温度510℃，7500T挤压机,淬火方式为水冷。现针对出现起泡的料样进行分析试验，分析料样表面出现气泡现象的原因。

表1 6082合金化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

(1)外观观察。料样整体进行目视、尺寸测量等。

(2)低倍检测。分别对棒材横截面、端头处气泡进行了低倍组织检测。棒材横截面低倍检测主要检查基体是否存在疏松、夹杂等缺陷；棒材端头处检测主要检查端头处气泡来源，是否从基体部位延伸而来。

(3)高倍组织检测。基体圆棒显微组织主要检查是否因棒材材质本身氢含量过高而导致显微疏松缺陷。棒材高倍检查在棒材芯部取样，分别使用光学显微镜观察；基体端头显微组织检查主要观察端头处是否有基体延伸的缺陷；气泡内腔显微形貌观察。

(4)气泡性质验证实验。为验证气泡是否为基体氢含量过高所致，对该试样进行了重新固溶热处理验证实验。即将试样车皮(6mm)后，在 540℃下重新固溶处理 2h。若车皮重新固溶后仍出现气泡，则为铸锭本身有缺陷；若无，则为挤压或后续工序产生。

图1 气泡料样Fig.1 Bubble material sample

2 试验结果及分析

2.1 外观观察

对料样表面进行目视观察，如图2所示。可知，气泡集中在1#位置(端头)，分布规律为宽度(沿垂直挤压方向)约50mm，纵向长度(沿挤压方向)约10mm，料样其他位置无气泡。

图2 挤压棒材宏观形貌Fig.2 Macro morphology of extruded bar

2.2 低倍检测

在1#试样(气泡位置)、2#试样、3#试样处分别取3个50 mm长料样进行低倍形貌观察，如图3所示。

图3 棒材不同位置截面的低倍形貌Fig.3 Low-magnification morphology of bar sections at different positions

3个试样低倍均出现粗晶环，1#试样粗晶环与基体边缘伴有分层。挤压分层气泡一般尺寸较大，不排除边缘分层引起的细小气泡以颗粒形状在棒材表面显现，这种气泡可能是棒材尾部的粗晶环区在淬火过程中产生的裂纹以气泡形式表现出来。表皮金属与基体金属的分界是变形纤维组织与粗大再结晶组织的分离处。1#试样、3#试样粗晶环深度5mm，2#试样粗晶环深度6mm，随后对出现气泡的位置(1#)进行局部放大，放大后照片如图4所示。

图4 1#试样气泡位置局部放大Fig.4 Partial enlargement of 1# sample bubble position

2.3 显微组织

2.3.1 高倍组织

对试样的有气泡部位和无气泡部位进行组织形貌观察，如图5所示。可知，有气泡部位与无气泡部位第二相的大小、数量、分布无明显区别。对有气泡位置进行高倍局部放大观察，箭头位置所示裂纹，如图6所示，可以看出黑条周边存在多处裂纹源。该气泡是粗晶环区在淬火过程中产生的裂纹，以气泡的形式表现出来。即表皮金属与基体金属的分界是变形纤维组织与粗大再结晶组织的分离处出现的粗大气泡，并且伴随有裂纹。

图5 试样高倍组织形貌Fig.5 High-magnification structure of the sample

图6 有气泡部位局部放大组织形貌Fig.6 Partially enlarged tissue morphology of bubble area

2.3.2 高倍晶粒度

有气泡(1#试样)和无气泡(2#试样)部位对应的芯部和边部高倍晶粒度如图7所示。在金相组织中可以看出，1#试样、2#试样基体无粗大晶粒，晶粒度均为7级；1#试样、2#试样边部都有粗晶，再结晶的表层与没有再结晶的内部有明显的界限，粗晶层的晶粒，通常由表向里增大。

图7 试样高倍晶粒度图片Fig.7 Picture of samples with high grain size

2.4 气泡性质验证实验

气泡产生主要有3个方面原因，(1)铸锭材质本身，技术人员进行验证试验，由于粗晶层厚度是6mm，对车皮6mm后的试样重新固溶处理后，表面无气泡出现(图8)，说明气泡不是由于基材氢含量高造成的。经过对气泡样料车皮后重新固溶未发现有气泡产生，显然不是铸锭本身问题。(2)在挤压过程中产生的，即棒材本身存在气泡，一般表现为平行于挤压方向。铝合金挤压型材表面出现气泡是挤压生产中常见的一种缺陷，产生气泡的主要因素有排气压力不够，墩粗效果不佳，压余剪切不良(剪切污染)，铝棒表面不良(或污染)，挤压筒内壁磨损或大肚变形，挤压垫片间隙不当，挤压垫片涂油污染等[2]。经过对气泡的外观及高倍观察，不是在线低温固溶产生的气泡。(3)二次高温固溶后产生，经550℃×4h二次热处理后，制品表面颜色发暗，出现凸出颗粒的气泡。虽然低温固溶后气泡未显现，但是已经携带了缺陷组织，挤压后经高温固溶，缺陷内的有机物或空气进一步膨胀，超过了铝合金表层金属的约束极限，最终以气泡的形式出现在型材表面[3]。经过对比发现，确实为二次固溶产生的缺陷。一次低温固溶，形成亚结构粗晶，二次高温固溶后，气泡显现出来。

图8 试样重新固溶处理后表面质量Fig.8 Surface quality of sample after re-solution treatment

气泡处存在粗晶，但是否真如上述分析所说，根据对6082铝合金挤压棒材的试验分析，产生的表面气泡是在固溶处理后出现的，根据显微组织可以看出，气泡的分层与基体金属连接处并未发现明显的夹杂物，可以判断，表面气泡的产生并不是由于挤压过程夹杂物造成的夹杂气泡。从低倍组织和显微组织看出，气泡隆起产生的分层不均匀，气泡形成的空腔和基体金属连接处不平整且伴有缺陷，可以判断该表面气泡不属于气体通透型气泡[4]。根据低倍组织可以看出，气泡周围有明显的粗晶环区域，且将粗晶环区域车皮后重新固溶未发现气泡，证明气泡是由于粗晶环破裂产生的挤压分层气泡。

3 结论及工艺改进

(1)经过以上验证，本文中出现的气泡为二次固溶后、粗晶与基体边界产生的气泡。

(2)调整工艺、控制粗晶，降温、降速，减缓挤压变形量。

(3)调整二次高温固溶温度(540℃)，由一级固溶改为二级固溶(510℃保温+540℃保温)，既保证产品内在组织的稳定性，又保证了产品超高的力学性能。