7075铝合金排材黑线缺陷原因分析

李飞庆，王 超

(安徽鑫铂铝业股份有限公司，安徽 天长 239300)

7075铝合金是Al-Zu-Mg-Cu系铝合金，具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能良好等突出优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通、建筑、桥梁等领域，比如飞机、火箭、高铁等，是一种很有发展前途的铝合金。

众所周知，铝在空气中表面能够形成一层致密的氧化膜，保护基体金属不再腐蚀，因此铝及铝合金的耐蚀性能比铁、铜等其它金属好。在铝中加入Zn、Mn、Cu形成合金后，自然条件下形成的氧化膜厚度约为4nm，该氧化膜不均匀，疏松多孔，因此这一系列铝合金耐蚀性较差。阳极氧化表面处理，可以在铝合金表面生成纯度较高且致密的Al2O3薄膜，对铝合金起到了较好的保护作用，该薄膜外层吸附力强，与漆膜有很高的吸附力，因此常用的高强铝合金由氧化膜和漆膜来防护。其中氧化膜是否连续完整对铝合金的表面防护至关重要。有研究表明[1-2]，7075合金制品表面含有析出相的部位会造成Al2O3氧化保护膜的中断或者厚度不均匀，同时由于局部受力不均匀及尖角作用而产生微观裂纹，另外表面缺陷和表面光洁度较差，都会严重影响氧化膜的质量，从而降低材料的耐蚀性能。

在试生产高铁座椅零部件用7075铝合金排材时，用户反映某些规格的排材在进行阳极氧化处理之后，制品表面出现黑线，认为严重影响制品美观度并可能出现安全隐患，提出了退货的要求。本文结合生产实际，分析了7075铝合金排材氧化后产生黑线的现象和原因，并提出了预防解决措施，以期为同行生产此类产品时提供参考。

1 材料及检验方法

1.1 材料

试验材料为7075合金，试样尺寸为300mm×10mm的挤压排材。挤压采用的铸锭由该厂熔铸车间提供，采用半连续铸造法生产。生产工艺流程为：铸造—车皮—感应加热—挤压—离线淬火—张力拉伸—切定尺。主要生产工艺参数为：铸锭铸造规格为Φ305mm，锯切长度900mm，单边车皮厚度为3mm，车削后直径为Φ299mm，铸锭温度430℃，温度梯度20℃，挤压筒温度400℃，挤压速度1m/min，挤压系数25，压余厚度80mm。7075合金化学成分见表1。

表1 7075铝合金的化学成分(质量分数，%)

1.2 检验方法

低倍观察，样品采取20%的NaOH溶液浸泡；第二相和晶粒组织采用金相显微镜进行观察，型号为倒置型ZEISS Axio vert.A1，能谱和显微分析采用蔡司EVO18扫描电子显微镜(标配能谱仪)。

2 黑线现象和组织分析

2.1 黑线现象

图1(a)为已加工好的高铁用铝合金座椅零件的样件，可以看到经过氧化加工后样件中间有一条连续的黑线，黑线位于样件的中间，呈条状沿制品长度方向分布，占到样件宽度的1/8左右，略凹于工件表面。对样件进行低倍腐蚀后，工件表面的氧化膜已全部腐蚀掉，但黑线仍然存在。将挤压后氧化前的7075铝合金排材产品间隔一段距离取样，进行低倍观测，发现从尾部开始直到第4m均有黑线存在(图1(b))，黑线不连续，间断出现，呈条状沿制品长度方向分布。

(a)阳极氧化后显现的黑线；(b)碱液浸泡后显现的黑线图1 7075铝合金排材黑线(方框内可见)Fig.1 7075 aluminum alloy strip black line (visible in the box)

2.2 晶粒组织分析

对经过挤压的排材在黑线部位和正常部位分别取高倍试样，试样制备后在金相显微镜下观察其组织，可以发现在黑线处的晶粒和正常晶粒一样，均为晶粒被拉长纤维组织，在形态和大小上差异不大，说明黑线与晶粒异常无关(图2)。根据挤压组织特点，沿横断面方向组织是不均匀的，原因在于边缘受到强烈的剪切变形，外层金属晶粒会遭到较大破碎，而从外层到中心，变形程度逐渐减小。

(a)正常区域晶粒组织；(b)黑线区域晶粒组织图2 7075铝合金排材晶粒组织Fig.2 Grain structure of 7075 aluminum alloy strip

2.3 第二相分析

从Al-Zn-Mg-Cu相图可知[7]，该系列合金可能生成MgZn2、S(CuMgAl2)、T(AlZnMgCu)和少量的MgSi2、AlMnFeSi以及Al6(MnFe)相。这些第二相均附着在枝晶网络上，在均匀化过程中，大部分S(CuMgAl2)、T(AlZnMgCu)第二相溶入铝基体中。从图3可以看出生产用的铸棒经过均匀化，第二相大部分已经溶入基体，残余的可能是MgSi2、AlMnFeS以及少部分S(CuMgAl2)、T(AlZnMgCu)相。

图3 7075铝合金铸锭均匀化后组织Fig.3 Microstructures of homogenized 7075 aluminum alloy ingot

经过挤压变形后，第二相颗粒破碎，分布于基体之中。从图4(a)(b)可以看出，正常区域第二相粒子细小，最大的粒子不超过15μm，呈现离散分布状态；而从图4(c)(d)可以看出，黑线区域部分第二相呈链式分布，且有少量超过20μm的粒子存在。

(a)正常区域第二相形貌 200×；(b)正常区域第二相形貌 400×；(c)黑线区域第二相形貌 200×；(d)黑线区域第二相形貌 400×图4 7075排材显微组织Fig.4 Microstructures of 7075 aluminum alloy strip

2.4 能谱分析

对经过挤压的排材在黑线区域和正常区域分别取样进行能谱分析(EDS)。从图5 可以看到，在黑线区域的第二相粒子与正常区域的第二相同样，主要是Mg2Si、Al(FeMn)、Al6FeMnSi0.5，这些粒子是Al-Zn-Mg-Cu系本身可能存在的，只是在分布和大小上有差异。因此可以排除氧化物、异物进入产品造成黑线。基体能谱位置见图5的A点和B点，EDS成分分析结果见表2。通过能谱分析，发现在基体成分上，黑线区域和正常区域溶质浓度不同，Cu、Mn、Mg、Zn等原子的浓度比正常浓度要高一点，说明在铸造过程中发生了偏析现象。

表2 7075铝合金的基体化学成分(质量分数，%)

综上所述，黑线沿制品长度方向间断分布，黑线区域的晶粒与正常区域的晶粒相比无异常。造成制品氧化后黑线的是连续分布且尺寸粗大的第二相，第二相主要是Mg2Si、Al(FeMn)、Al6FeMnSi0.5，由成分偏析造成的。

(a)正常区域第二相能谱；(b)黑线区域第二相能谱图5 7075铝合金排材第二相能谱Fig.5 EDS(energy dispersive spectrum)for second phases of 7075 aluminum alloy strip

3 分析与讨论

3.1 偏析对黑线形成的影响

在铝合金半连续铸造时，先接触到结晶器的熔体由于冷却水的作用而急剧冷却，凝结成一层外壳，称为激冷层。又由于凝固引起体积的收缩，在激冷层与结晶器之间形成了空隙。随着铸棒长度增加，激冷层开始脱离冷却水的激冷，这时铸棒内尚未完全凝固的熔体对激冷层重新加热，使激冷层内的低熔点共晶重新熔化，并沿复熔晶界穿过激冷层在铸棒表面凝结成瘤状。这一部分偏析瘤若车皮不完全，且挤压时从铸棒表面进入产品内部，在发生变形后偏析瘤中的粗大第二相破碎并沿变形方向排列，形成了条状的化合物富集区。在随后对零件进行阳极氧化时，正常部位阳极氧化后生成了致密的氧化膜，而化合物富集区优先反应，产生腐蚀，难以形成氧化膜，所以在工件表面出现了“黑条”。通过改善铸造工艺，增加车皮量，消除偏析组织，也就是消除了黑线形成的组织因素。

3.2 死区对黑条形成的影响

在挤压过程中，铸锭前端受到模具端面摩擦阻力作用，阻碍着部分金属流动，又因为挤压筒与挤压模的共同冷却作用，使该区金属塑性降低强度升高不易流动，因而形成前端难变形区即为死区。死区具有阻碍铸棒表面杂质、氧化物、偏析瘤进入变形区并流入金属制品的作用。具体过程为：挤压开始，铸棒表层组织(包括残留的偏析瘤)在固定挤压垫前面积聚，若死区足够大，则可将其聚集到最后，作为压余来切掉；若死区过小，则可能在挤压后期阶段杂质就会进入产品中。死区影响因素有工艺和模具等方面的原因。工艺方面主要因素有：1)挤压速度越大，死区越小；2)变形程度越大，死区越小；3)摩擦力越大，死区大。模具方面主要因素有：1)模具分流孔与挤压筒壁的距离越小，死区约小；2)模角越大，死区越大。本实验涉及的实际生产用的模具总厚度为330mm，直径为Φ500mm，分流孔外接圆直径达到Φ292mm(图6)。

图6 模具示意图Fig.6 Schematic drawing of the die

生产用的挤压机配套挤压筒内孔尺寸为直径Φ312mm，那么，分流孔边缘与挤压筒壁的距离就只有10mm，造成死区很小，偏析引起的粗大第二相容易进入产品中，在挤压变形中未得到充分破碎，最后导致氧化黑线出现。通过优化模具设计，将分流孔外接圆控制在Φ272mm左右，分流孔边缘与挤压筒壁的距离就增加到20mm，增加挤压死区区域面积，作为第二道防线阻止偏析组织进入产品中，降低黑线形成的几率。

4 结论

连续、链式分布的第二相组织是造成氧化黑线的主要原因；通过优化铸造工艺和模具设计可消除并预防出现氧化黑线。