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摘要：
本文通過直讀光譜分析、掃描和能譜分析等手段，分析了6005AH擠壓型材的合金成分、金相組織、第二相組成及表面劃傷處的宏觀組織特徵。結果表明，該合金存在大量的AlFeSi相，在表面劃傷處聚集有AlFeSi相。AlFeSi相大量粘附在模具工作帶表面粘鋁層導致擠壓型材表面劃傷。
關鍵詞：擠壓型材；表面劃傷；AlFeSi相
胡宗喜
中鋁山西新材料有限公司
The Analysis of the Surface scratch of the Extruded 6005 Aluminum Alloy
(Chinalco Materials Application Research Institute Co., Ltd. Suzhou Branch)
Abstract：The component, microstructures, phase and the microstructures on the scratch of the extruded 6005 Aluminum Alloy were investigated by Direct reading spectrum, SEM and EDS. The results show that, the results show that, a large number of AlFeSi phases were observed in the alloy, and some of the AlFeSi phases were gathered at the surface scratch. The AlFeSi phases adsorbed on the surface of the die result in the scratching on the extrusion profile surface.
Key words: Extrusion profile; Surface scratch; The AlFeSi phases
前 言
6005 鋁合金是一種典型的擠壓鋁合金，具有中高強度、耐蝕性好、易於陽極氧化、焊接性能優良等優點，在高速列車和地鐵的廂體用擠壓型材中得到廣泛應用。然而鋁合金型材在擠壓過程中，在型材內表面經常會出現連續和不連續的劃傷，破壞了金屬內表面的連續性，即使通過冷加工也無法完全消除，給產品質量帶來不利影響。因此，解決型材表面劃傷問題對提高型材質量至關重要。本文通過對擠壓型材進行組織分析探討，從材料本身的角度給出了型材表面劃傷的原因。
1
實驗
本文所使用的實驗材料為6005AH鋁合金擠壓型材，通過直讀光譜儀測得其主要成分如表1-1所示。擠壓型材由國內某鋁業公司提供。圖1b為擠壓型材樣品切片宏觀形貌，從圖中可以看出擠壓型材表面有許多連續和不連續白色劃傷。
從型材表面取3個試樣，位置如圖2a中方框所示，分別標記為1#試樣、2#試樣和3#試樣，如圖2b所示。1#試樣用於樣品的成分檢測，分析6005AH的擠壓型材成分是否符合有關規範標準的要求；2#試樣用於製備組織觀察試樣，觀察沿擠壓方向縱截面微觀組織，分析組織的晶粒尺寸、相的形貌分佈，觀察組織中是否有疏鬆、夾渣等缺陷；3#試樣用於觀察劃傷表面，觀察劃傷表面組織，所用設備為JEOL JSM 6480型掃描電鏡。
圖1
6005AH擠壓型材樣品切片表面宏觀形貌
表1-1 6005AH擠壓型材成分
圖2 取樣位置
2
實驗結果討論
2.1
型材組織分析
擠壓型材沿擠壓方向縱截面的掃描組織如下圖2所示。可以看出組織中存在大量的第二相，彌散分佈在基體中，尺寸細小（大部分在10µm以下），相形貌主要由板片狀、顆粒球狀和短棒狀構成。為了進一步分析各相組成，對各相進行能譜分析，能譜分析結果如表2-1所示，根據A、B、C、D、E能譜結果顯示，這些第二相中的元素Si、Fe的原子比Si/Fe接近1:1。根據相關文獻報道，6005AH合金中元素Fe屬於雜質元素，過量的Si元素和Fe元素以及Al元素可以結合生成AlFeSi三相化合物，含Fe相主要為α-AlFeSi相（Al12Fe3Si）和β-AlFeSi相（Al5FeSi），一般的，當Si含量大於Fe時，形成β-AlFeSi相，當Si含量小於Fe時，形成α-AlFeSi相[1,2]。可以推斷實驗用合金組織中的相主要有β-AlFeSi相組成，β-AlFeSi相在鑄態鋁合金中一般以片狀形式存在，這種片狀的第二相會在後續的變形過程中對基體產生不利的影響。
圖3 型材擠壓方向縱截面掃描組織；(a) (b)低倍； (c) (d)高倍
表2 圖3中各相能譜結果
2.2
掃描電鏡和能譜分析
未經處理的2#樣品表面二次電子圖像如圖3所示。從圖3a低倍二次電子像宏觀形貌中可以看出，擠壓型材內表面劃傷處在掃描電鏡下呈現一道道白色的亮線，在亮線中間存在有一些細小顆粒相。這些細小顆粒相在高倍下的宏觀形貌如圖4b~4e所示，其能譜分析結果如下表3所示。
通過對白色亮線處放大，可以看到有一些細小的顆粒狀和片狀物質存在於白色亮線附近的表面和中間凹陷處，如圖3中的F、G、H點標識所示。通過能譜分析結果可以看出，白色亮線附近表面相如圖3中相H和相J其主要含有元素為Al、Si、Fe、Mn和Cr，分析其可能為含Mn、Cr的AlFeSi相。中間凹陷處的顆粒狀物質如圖3中相F、G和I所示，能譜分析結果顯示F為不含Mn和Cr的AlFeSi相和含Mn和Cr的AlFeSi相，G為含Ca的雜質相。從以上分析可知，劃傷的型材表面和凹陷處出現了AlFeSi相，大量含Fe相在型材表面聚集是因為合金在擠壓過程中受到擠壓溫度和擠壓速度的影響，使得含Fe相在擠壓過程中動態析出。型材劃傷凹陷處存在的含Ca雜質相可能是由於合金鑄棒精煉不充分、粉末塗料、氧化膜夾雜或者爐底脫落等原因造成。
圖4 掃描電鏡下樣品表面二次電子形貌
表3 圖4中各相能譜分析結果 wt%
2.3
劃傷原因探討
從6005AH合金組織分析可知含Mn、Cr的AlFeSi相和不含Mn、Cr的AlFeSi相為該合金型材的主要組成相，通過2-2部分的介紹可以知道，合金中的第二相主要是β-AlFeSi相（Al5FeSi）。β相多以棒狀和桿狀形貌存在，這種形貌特徵對塑形將產生不利的影響，往往會割裂基體，造成材料塑性下降。從表1-1可以看到，該合金中的Mn元素含量0.27%偏低（Mn元素要求含量為0.40%~0.47%），Mn元素在合金中可以促使針狀的β-AlFeSi相向粒狀的含Mn的α-AlFeSi相轉變[2,3]，降低β-AlFeSi相對基體變形過程中的割裂作用。擠壓過程中由於擠壓溫度高、擠壓速度快，金屬的流動性增加，變形抗力減弱，極易造成粘鋁現象，硬質顆粒相β相在高溫下析出吸附在模具工作帶表面，在擠壓過程中劃傷型材表面，合金中的雜質相在擠壓過程中也極易從基體中分離出來，通過模具的工作帶時粘附在入口端形成粘鋁，並不斷被流動的金屬拉出形成毛刺劃傷表面[4,5]。
3
結論
擠壓型材合金組織中的含Fe的第二相為β-AlFeSi相，在擠壓型材劃傷表面經過掃描電鏡和能譜分析，同樣發現有β-AlFeSi相存在，β-AlFeSi相是導致型材劃傷的主要原因，在擠壓過程中β-AlFeSi相在擠壓模具刃口處聚集，吸附在模具工作帶表面粘鋁層，對擠壓型材表面造成劃傷。
參考文獻
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一個有溫度的平臺一個有深度的平臺
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