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(中南大学材料科学与工程系 湖南 长沙 410083)
[b]一 前言[/b]
近来，在生产7603-1．0、100×25-1．2、90×25-1．0、8503-1．0等空心型材时，发现型材出现砂面和银亮现象，发生的部位在焊合线附近和型材变形程度比较大的位置。为了了解其产生的原因，特取了一些样品，通过金相和扫描电镜观察，找出解决这些质量问题最佳途经。
[b]二 实验[/b]
为了了解生产中部分工艺过程中产品的组织结构情况，取如表1所示样品，用FOLYVAR-MET金相显微镜、KYKY-Amray2800扫描电镜来观察焊合线位置及粒子大小、成分和形貌。
[b]三 实验结果及分析[/b]
[b]1 铸造组织[/b]
由金相照片来看，ф152mm与ф114mm锭子晶粒均匀程度相差不多，如图1所示，看上去ф114mm晶粒较ф152mm稍细小。但由扫描电镜观察锭子质量，发现不仅仅是中心到外面成分的不均匀，即周边偏析，整个链子质量较差，杂质较多，Fe、Cu含量超标，由能谱图(如图2)可以看出，Fe的偏析较严重并形成金属间化合物，这些粒子在阳极氧化的过程中，就会被选择性腐蚀。另外，不同的铁含量在阳极氧化期间会造成色差。由此表明，正确控制铁含量对提高制品表面质量很重要。
此外，铸锭基体基本上是黑色氧化膜(Al2O3)，几乎遍及整个断面，由扫描电镜能谱图(图3)可证实这一点(因能请图不能打出氧，故只有铝)。生产实践证明，形成氧化膜这种缺陷的原因如下：(a)铸锭的氧化膜污染程度与熔体从静置炉向结晶器流动时由液流表面卷入的氧化膜有关，如果液流翻滚严重，则铸锭的污染程度较大；(b)铸锭中的氧化膜与熔体在静置炉的位置状况有关，静置炉底部的金属浇注的铸锭污染程度较大；(c)氧化膜对铸锭的污染程度与熔体在静置炉的精炼温度和静止时间有关，提高精炼温度并保证足够的静止时间，能够减少氧化膜的污染程度。(d)氧化膜的形成与大气的绝对湿度有关，即在空气湿度最大的7-8月份氧化膜污染程度较大。
防止和减少铸锭中的夹杂没有什么彻底的方法，一般情况下采取：(a)最有效的除渣、除气联合精炼法，彻底精炼；(b)保证足够的熔体静止时间；(c)过滤；(d)彩用完善良好的倒炉和转注工艺，设法减少金属的冲击、翻滚，采用水平铸造，使液体平稳流动；(e)原料、工具等保持干燥、清洁；(f)防止二次污染。
[b]2 挤压[/b]
(1)模具修改前后样品焊合线及其金相组织
由3#的扫描电镜照片(图4)可以看出，改模前有一条明显的焊合线，且成一条直线，焊合线处有夹杂粒子。其产生的主要原因是因挤压系数小，挤压温度低，速度快；挤压工具或坯料不清洁或舌型模上有油污等。而改模后(4#)没有明显的焊合线，其金相组织也好于3#(如图5)，但4#表面和3#表面一样还是黑花状，这是由铸锭质量差导致的。
(2)挤压工艺
一般情况下，要得到合格的产品，制品挤压时应考虑以下因素：挤压力与挤压过程变量之间的关系，制品表面质量与挤压温度、速度、挤压力之间的关系；制品性能与挤压过程变量之间的关系；图6示出制品表面质量、挤压力和挤压变量之间的关系。它是在挤压速度和铸棒温度范围上附加另一种实线，示出粗劣的和满意的制品表面的界线之间的关系。当挤压6000系垣软合金时，容许用更快的挤压速度和更高的铸棒温度获得优良的表面质量，曲线上区域分界线能向右移动。挤压 6000系复杂形状的、高挤压比的和硬合金的制品时，界线则向左移动，减少了B区域(可能挤压的区域)。这种变动与制品表面质量情况一致。当合金的挤压工艺状态进入C区域时，就容易出现表面缺陷，如表面起砂、撕裂和黏附等。例如，当铸锭质量较好，但模子设计不够优化或者模具加工不够好时，就会使Al-Fe -Si聚集，聚集的Al-Fe-Si沉淀物在进人模具区时受到剪切，沉积在模具工作带表面上，在金属死区界面，粗大的Al-Fe-Si沉淀物排成直线，在挤压型材表面成形时，足以引起金属流的局部扰动，这种扰动就可能影响型材的表面形态，使制品进入图6中的C区，导致型材表面质量变坏。
[b]3 粗大的Mg2Si相[/b]
粗大的Mg2Si相形成的原因，或者是由于均匀化冷却速度太低，或者是由于铸棒缓慢预热所致，它们使制品表面区域(C区域)向左移动。而且，从腐蚀后粒子掉下来的孔洞看，这也会使挤压后表面质量不好。究其原因：(a)未均匀化处理，没有使Mg、Si溶于固体内，或均匀化冷却速率太低，使之在450- 200℃区间，Mg2Si粗化。(b)挤压前缓缓的加热，在靠近400℃时出现β’-Mg2Si粗化，并且在400℃左右β’-Mg2Si就开始形成，为了使粗化的β’-Mg2Si溶解就需更高的挤压温度，这会降低固熔体中Mg2Si的总量，于是会导致时效后机械性能下降。为此，在生产中要尽量使 Mg2Si细化，使Mg2Si在挤压过程中迅速升温尽量完全熔解。与粗大的析出相比，挤压力只稍微增大一点，但却得到了较好的型材表面，并为后面工序创造了有利条件。
[b]4 淬火[/b]
挤压冷却速率必需满足不落在能形成粗大Mg2Si相的区间内，以使Mg和Si保持在固熔体中，以便在随后时效硬化期间没有粗大Mg2Si相析出，使机械性能达到最大值。冷却速率取决于型材尺寸和冷却形式。由金相组织可以看出，挤压态比淬火时效后的制品粒子少得多，如5#、9#与10#、11#、12#等的比较，如图7所示。这是因为6063合金有自然时效与人工时效的特点，而挤压后如果不进行人工时效，则会自己进行自然时效，但这个强化效果不如人工时效好。
[b]5 时效工艺[/b]
6063合金的强度同材料在变形期间抵抗位错运动的能力有关，当材料受力时材料中就有位错形成，并运动。位错的运动受到Mg2Si沉淀相的阻碍，从而材料的强度增加。这些沉淀相的尺寸和密度是由时效状态所决定的，少量细小的β”-Mg2Si相能阻止位错在材料中的移动，而当β”相数量很大时能阻止位错的运动，这样材料的强度就提高了。如果沉淀相长到很大(形成β’和β’-Mg2Si相)，它们在数量上变得很少，这样有用的Mg和Si量就减少了，位错很容易从这些大的沉淀相旁边绕过，材料的强度就降低了。一般对于6000系来说最佳时效温度足170℃/8h或185℃/6h、200℃/3-4h，具体工艺由实际生产情况决定。
[b]四 结论[/b]
1 铸造组织的区域偏析、挤压工艺的不合理、粗大的Mg2Si相以及模具结构的不合理导致型材表面缺陷。
2 消除或减轻这些表面缺陷的措施是：(1)采用适当低的铸造速度和温度，使液穴变得浅平；均匀供流，漏斗要足够大，要安放平正；加入细化剂，细化晶粒。(2)在设备允许情况下，挤压速度不变，适当降低铸棒温度使合金在可挤压区(B区)内进行挤压(3)对铸棒进行均匀化处理；将铸棒快速预热到挤压温度；选择合理的挤压冷却速率。(4)优化模具设计，在刚度、强度允许情况下尽可能加大分流腔和焊合室；过度区应圆滑避免尖角以减少金属流经模具的阻力；模具工作带定期氮化，尽可能提高分流腔及工作带的光洁度，使金属流动均匀
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