点击购买【修模宝典】铝型材挤压模具修模原理方法及案例分
0 前言
6061 是具有中等强度的Al-Mg-Si 可热处理铝合金，具有极佳的可挤压性能、优异的焊接性能，常用于汽车保险杠、减震器、建筑模板、航天航空等领域。在实际应用过程中，一般采用阳极氧化处理提高其耐蚀性[1]。但是，在阳极氧化过程中，许多原材料表面不可见或难以通过肉眼可见的挤压缺陷（如焊合线、性能差异导致氧化条纹、黑斑、表面粗晶等）将在氧化后显现出来，引起视觉差异，导致客户不满甚至退货[2-3]。
本文围绕空心铝挤压型材阳极氧化后表面出现明显色差带现象展开，通过系列测试找到出现色差的原因，为后续稳定生产提供了有效依据。
1 试验及方法
铝挤压型材是空心管材，型材壁厚为6.0 mm，因考虑后期有阳极氧化工序，焊合线位置设置在型材靠角落位置，以减少焊合线带来氧化色差的影响，焊合线分布如图1 （a）所示。
空心铝型材材质为EN AW6061，化学成分标准为EN 573-3。在40 MN 正向挤压机上进行挤压，型材离开挤压前梁后进行在线水淬，型材经矫直后锯切成半成品，而后在175 ℃温度下时效8 h。随后，经拉丝后进行本色阳极氧化处理。氧化后在部分产品上表面位置出现氧化色差带，宽度约20 mm，沿整根挤压型材方向分布，见图1（b）。
图1 挤压焊合线分布及氧化后色差情况
为了研究空心铝挤压型材色差带成因，在图1（b）中A、B、C位置处进行取样测试，其中A为正常氧化表面，B 位置为色差带与正常氧化表面过渡带，C为全部色差带位置。金相试验采用凯勒试剂进行侵蚀，通过LEICA DM4M显微镜对金相组织形貌进行观察，采用日立S-3400 扫描电镜对不同区域典型组织及微区成分进行测试；拉伸试验在万能试验机SHIMADZU AG-IC/100KN 上完成；维氏硬度用HNS-5 小负荷维氏硬度计检测；电导率采用D60K金属电导率仪进行测量。
2 试验结果与分析
2.1 组织形貌观察
图2金相组织结果反应了图1（b）中不同位置的显微组织情况。从图2（a）中A 区域金相结果可以看出，氧化正常区域组织晶界清晰，为典型再结晶组织，晶粒之间有亚晶存在，晶粒内部分布有许多均匀细小的黑褐色弥散物；B区域能少许看见晶界，黑褐色弥散物分布较A 区域明显，如图2（b）所示；C 区域几乎难以看见晶界，整个观察面几乎为黑褐色弥散物，见图2 （c）。
图2 不同氧化部位金相组织情况
2.2 SEM及EDS检测
图3 为A、C 区域的SEM 形貌及C 区域化合物的EDS 检测结果。从图3（a）、（b）中看出，区域A中的化合物形貌主要为点状，区域C化合物形貌以细条状为主。图3（c）、（d）是C 区域内化合物的EDS 检测结果，C 区域化合物主要为Mg2Si 以及含有Fe、Cr、Mn、Cu等元素的化合物。
图3 不同氧化位置SEM及EDS检测结果
2.3 显微硬度检测
图4为空心型材色差带区域到正常区域维氏硬度检测及电导率测试结果。从图可知：型材从C区域（氧化色差带中心为零点）到A区域（氧化正常位置）维氏硬度逐渐升高，硬度值偏差较大。C区置型材硬度偏低，最低值为72.3 HV，A 位置硬度在105 HV 左右，硬度差值达32 HV，差异率45%。电导率由C 区域中心位置向A 区域逐渐降低，C 区域电导率为48.9%IACS，A区域为46%IACS。
图4 不同位置硬度及电导率检测结果
2.4 拉伸性能分析
由表1氧化后型材在A、B、C不同位置取样进行拉伸力学性能测试的结果看，抗拉强度及屈服强度从正常氧化表面、过渡带、色差带逐渐降低。所有位置的抗拉强度及延伸率两项性能指标都达到6061-T6要求，但抗拉强度弱化明显，由正常氧化表面的329 MPa 降低至色差带对应的264 MPa，降幅为19.8%。屈服强度由A位置的284 MPa降低至C位置的197 MPa，降幅30.6%。根据6061-T6 屈服强度240 MPa 要求，C 位置屈服强度未能达到标准值要求。型材屈强比值由正常氧化表面的86.3%降低至色差带位置的74.6%。
表1 不同位置拉伸性能测试结果
2.5 自腐蚀电位测试
表2 展示了不同位置的自腐蚀电位测试情况。时效前A、B、C区域自腐蚀电位差值较小，A位置最低，为-729 mV，B、C位置自腐蚀电位相当，比A位置高4 mV。通过时效以后，区域自腐蚀电位差异由4 mV增加至10 mV，其中A区域自腐蚀电位最高，为-742 mV，B、C 位置自腐蚀电位差异为2 mV。
表2 不同位置自腐蚀电位测试结果
2.6 结果分析及讨论
从氧化色差区域至氧化正常区域，型材的金相组织、典型微观形貌差异较大，在凯勒试剂侵蚀10 s 后，色差带区域几乎全覆盖有黑褐色弥散物，晶界及晶粒形貌难以观察（见图2（c））。通过SEM 及EDS （图3） 结果可知，有Al、Mg、Si 为主要元素的化合物存在于基体中。从型材力学性能及电导率进一步分析，色差带位置的机械性能及维氏硬度明显低于氧化正常位置：维氏硬度低32 HV（见图4）；抗拉强度低65 MPa，屈服强度低87 MPa（色差带位置屈服强度不达标，如表1所示）；电导率高达2.9%IACS。挤压后时效不会在型材同一平面上造成组织性能差异，故导致该平面上产生性能差异现象（即有氧化色差带）的主要原因来自于挤压、淬火过程。
挤压过程中采用水淬方式冷却，如图5（a）所示。在挤压在线淬火过程中设置有上下对称的4组喷嘴，当每个喷嘴出水量为三角形分布，且所有喷嘴都正常工作时，其型材断面可实现100%冷却覆盖。经过现场排查发现，上喷嘴左边第二个喷嘴有堵塞现象，造成生产过程中水量不及其他喷嘴位置充足，最终致使淬火不均匀，从而导致产生组织及性能差异，如图5（b）所示。因此，后续生产过程中，及时对现场喷嘴进行清理，防止喷头堵塞可有效提升挤压型材整体性能。
图5 淬火水冷情况
在6×××系合金的挤压过程中，固溶的作用是尽可能提高溶质原子在基体中的固溶度，其主要表现为Mg2Si 的溶解[4]。在淬火过程中，淬火不均匀使同一面上材料冷却速度不一致。淬火冷却率低的区域，溶质原子在高温区段时间长，扩散快，析出动力学大，在淬火过程中易发生分解，在晶界及晶内有大量的物质产生（如图2（c）所示），消耗了合金中大量的溶质原子，故不能以过饱和固溶体形式保留至室温，大大降低了合金的过饱和浓度[5]。同时，由于溶质原子的大量分解，减少了时效过程中发生析出强化的形核数，降低了时效后的强化效果，造成材料强度、硬度弱化，甚至出现难以达到技术要求的现象[6]。氧化色差带的电导率高于正常位置的原因是因为淬火冷却速度慢，大量溶入铝合金基体中的Mg2Si 溶质脱溶分解，降低了材料晶格畸变，对电子衍射减少，因此该区域的电导率高[7-8]。阳极氧化在形成氧化膜时的过程为腐蚀、成膜双向动态平衡过程，材料自身腐蚀倾向将极大影响后期成膜效果[9]。因冷却过程中带来的组织差异将直接影响氧化膜形貌及表现特点。自腐蚀电位低的色差带区域材料活性强，在氧化过程中腐蚀倾向大于正常区域，最终导致氧化后表面颜色不一致[10]。
3 结论
（1）空心铝合金挤压型材表面的氧化色差带是因为淬火喷嘴堵塞使局部水流量不足导致型材组织产生差异造成的。色差带与正常位置的组织差异大，正常位置晶界清晰可见，色差带处晶粒内部分布有大量黑褐色弥散物，晶粒内部有Al、Mg、Si为主元素的化合物。
（2）空心铝合金挤压型材的力学性能从色差带位置向正常位置逐渐降低，色差带的硬度、抗拉强度较正常位置分别低32 HV、65 MPa。色差带位置屈服强度不合格，比正常位置低87 MPa。电导率趋势与力学性能趋势相反，自腐蚀电位差异随时效过程由4 mV 增加至10 mV。时效后，在色差位置最低，为-752 mV，较时效前低27 mV。
（3）及时对喷嘴进行清理是提升挤压型材整体性能的有效途径，可避免分流模具非焊合位置氧化色差带现象产生。
