硬质相对 6061 铝合金异型散热型材表面质量的影响

第21卷第7期中国有色金属学报 2011年7月 Vol.21 No.7 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Jul.2011 文章编号：1004­0609(2011)07­1521­06 硬质相对 6061 铝合金异型散热型材表面质量的影响罗淞 1,2 , 林高用 1 , 曾菊花 1 , 孙利平 1 , 邹艳明 1 , 周玉雄 1 (1. 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083；2. 山西阳泉铝业股份有限公司，阳泉 045003) 摘要：采用化学成分分析、金相分析、扫描电镜、力学性能测试、能谱分析及 PoDFA 杂质分析等技术对国产 6061铝合金异型散热型材和进口同种优质6061铝型材进行对比分析。结果表明：国产型材的杂质总含量为0.195 mm 2 /kg，明显高于进口型材的杂质总含量(0.016mm 2 /kg)，且其中存在较多的MgAl2O4 尖晶石和MgO硬质杂质相，这些物相具有特殊的形态和较高的硬度，在加工过程中易划伤模具表面而降低型材的表面质量；国产 6061 铝型材中 Mg 和 Si 元素的含量均高于进口试样的，但由于形成了较多大块状、硬而脆的 Fe2Si2Al9 相，导致国产型材的强度虽稍高于进口型材的，但其伸长率却大幅度下降，也影响型材的表面质量。关键词：6061散热铝型材；硬质相；表面质量中图分类号：TB31 文献标志码：A Effect of hard phases onsurface quality of 6061special­shaped radiator aluminum profile LUO Song 1, 2 , LIN Gao­yong 1 , ZENG Ju­hua 1 , SUN Li­ping 1 , ZOU Yan­ming 1 ,ZHOU Yu­xiong 1 (1.School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha410083, China; 2.Shanxi Yangquan Aluminium Industry Co., Ltd, Yangquan 045003, China) Abstract：Contrastive analyses of two kinds of 6061 special­shaped radiator aluminum profiles produced at home and abroad were done by composition analyses, OM, SEM, mechanical tests, energy spectrum analyses and PoDFA inclusion analyses. The results show that the inclusion concentration of the domestic profile is 0.195 mm 2 /kg, which is obviously higher than that of the imported one (0.016 mm 2 /kg). There are more spinel MgAl2O4 and MgO inclusions with special shapes and high hardness in the domestic profile, which can scratch the surface of molds and worsen the surface quality of profiles. With higher contents of Mg and Si, the strength of the domestic profile is slightly higher than that of the imported one. However, due to the formation of massive, hard and brittle Fe2Si2Al9 phases, its elongation is much lower than that of the imported one,and its surface quality is also affected. Key words:6061radiator aluminum profile;hard phases; surface quality 铝型材以良好的导热性能和成形性能成为制造散热器的重要材料 [1] 。作为散热器型材，为了实现散热器热传导能力的最大化，不仅要选用具有较高传热系数的材料，还要保证热源与散热器底座的紧密结合，因此，对型材的表面质量有较高的要求 [2] 。但是，铝型材在生产过程中特别是挤压过程中因为工艺的复杂性以及型材质量对工艺的敏感性而容易形成一些表面缺陷。缺陷的形成导致产品外观质量较差，成材率下降，影响企业的经济效益。挤压型材常见的表面缺陷有夹渣、划痕、起皮、起泡、定径带条纹、组织条纹、停车痕和橘皮等 [3−4] 。国内某企业生产的 6061 铝合金异型散热型材的表面存在较明显的划伤、划痕或毛刺。导致型材表面产生划伤、划痕或毛刺的主要原因有两个方面 [3] ：1) 模具基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目资助(2007BAE38BO4) 收稿日期：2010­06­18；修订日期：2010­09­19 通信作者：林高用，教授，博士；电话：[phone]；E­mail: [e-mail]中国有色金属学报 2011 年 7 月 1522 和挤压工艺，如模具定径带不光滑、挤压筒内壁或模具上存在未清理干净的异物、挤压压余或脱皮过小； 2) 材料本身含有较多硬质杂质或其他硬质相，导致挤压模具表面损伤严重，进而使型材粘模几率增加。近年来，国内研究人员对这类表面质量问题进行了较多的探讨。王荣滨 [5] 认为，产生表面划痕的根本原因在于模具的表面状况、工模具的装配及挤压筒内的异物。张金刚 [6] 则将表面产生划、擦、碰伤的原因归结于铸锭内坚硬的金属颗粒、模具型腔和出料轨道上较硬的夹杂物以及模具工作带的硬度。他虽然提到铸锭中的坚硬颗粒会使型材表面产生划伤，但并未对其作用机理进行研究，国外也尚无相关报道。为此，本文作者研究型材中的硬质相对型材表面质量的影响。 1 实验本实验的材料有两种，分别为国内某企业生产的 6061 铝合金异型散热型材和进口的同种优质 6061 铝型材。从两种型材的同一位置取样，通过钻削、机械加工或线切割，将其制成用于成分分析、金相、扫描电镜和拉伸测试的试样，进行相应检测。采用IRIS Advantage 1000 ICP−AES型等离子体发射光谱仪进行成分检测；试样用 Keller 试剂 (1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O) 侵蚀，用 PLOYMAR METⅡ型金相显微镜观察合金的微观组织；用Sirion 200场发射扫描电镜和Gensis60多功能电子能谱仪分别进行形貌观察及微区成分分析；在 MTS 810材料试验机上进行力学性能测试，拉伸速率为2 mm/min。除以上常规检测外，采用ABB公司的PoDFA技术对杂质进行检测，具体过程如下：提取一定量两种型材的金属液，将其倒入专用坩埚中；真空促使金属流向微孔过滤器，熔体中的杂质集中在过滤器表面；待熔体基本过滤后(5 min)，将过滤器连同残余金属及杂质一同剪下，制成样品，进行磨抛。样品在光学显微镜下观察，并用铝液杂质分析仪对杂质进行定性和定量分析。 2 结果与分析 2.1 表面宏观形貌图1所示为国内某公司生产和进口的6061铝合金异型散热型材表面实物照片。由图1可见，国产6061 图1 两种6061铝型材的外观及其表面实物照片 Fig.1 Physical pictures of two kinds of 6061 aluminum profiles: (a) Appearance of profiles; (b) Surface of domestic profile;(c) Surface ofimported profile 铝合金型材的表面明显不光滑，存在较多的划痕和毛刺，其表面质量较差，而进口型材的表明平整，划痕很少，表面质量较好。 2.2 化学成分对两种型材分别进行成分分析，结果如表1所列。由表1可知，与进口试样相比，国产试样中Mg、Si、 Cu 和 Cr 等元素含量均较高，但 Mg 与 Si 的质量比 (m(Mg)/m(Si))相近，均大于 4。6061 铝合金中主要强化相Mg2Si中Mg与Si的质量比为1.73 [7] ，因此，两种型材中的Mg均有较多的剩余。6061合金中Mg的存在形式有多种，除了形成Mg2Si和AlMgSi(Cu)等强化相以外，还可能因为被氧化而生成MgO和MgAl2O4 等化合物 [8−9] 。两种型材中剩余的Mg在熔铸、后续加工及存放过程中都可能被氧化。国产试样中Fe等杂质的含量控制得较好，其含量较低。第 21 卷第 7 期罗淞，等：硬质相对 6061 铝合金异型散热型材表面质量的影响 1523 表1 两种6061铝型材的化学成分 Table 1 Chemical compositions of two kinds of 6061 aluminum profiles(mass fraction, %) Sample Mg Si Cu Cr Ti Imported 0.93 0.22 0.19 0.15 0.01 Domestic 1.15 0.27 0.25 0.17 0.02 Sample Zn Fe Mn Ni Al Imported 0.01 0.20 0.12 0.004 Bal. Domestic 0.02 0.15 0.11 0.004 Bal. 2.3 内部杂质对两种 6061 铝型材中杂质的检测结果如表 2 所列。由表 2可知，两种试样中的主要杂质类型都是晶粒细化剂、(Ti,V)B2、镁化合物(MgO、MgAl2O4 立方晶和尖晶石)以及一些可能存在的氯化物。国产试样中杂质含量较高，为0.195mm 2 /kg；而进口试样较纯净，其杂质含量仅为0.016 mm 2 /kg。图2所示为两种型材杂质分析试样的金相组织。由图 2 可看出，国产试样中杂质含量较高，主要有镁化合物、晶粒细化剂以及 (Ti,V)B2；而进口试样较纯净，只含有少量的氯化物和晶粒细化剂。 (Ti, V)B2 是在熔炼过程中对熔体进行硼化处理时形成的细小产物，对材料的表面质量影响较小。 MgAl2O4 是 Mg 在高温重熔过程中与空气接触而形成的化合物。MgAl2O4 杂质的硬度很高 [9] ，当其以尖晶石形态存在时，对材料的表面质量影响较大，而以立方晶形态存在时，则影响较小。MgO是Mg与空气接触而形成的化合物，其硬度也较高 [9] ，但尺寸很小，然而，当其聚集成块时，由于也是在型材内部以尖晶石形态存在或存在于型材表面氧化薄膜中，因而也影响材料的加工性能和表面质量。杂质中的氯化物大多是用氯气或者氯盐作为除气、除渣的精炼剂时带入的。氯化物通常较软，对一般型材产品的表面质量无有害影响。金属在挤压过程中发生较大程度的变形，导致大部分金属在流出模口时形成型材的表面。原挤压铸锭内部的杂质相也随着基体金属的流动而流入型材表面。若基体中存在体积较大的硬质相，则其会划伤模具的工作带，导致工作带的内表面变得粗糙。粗糙的工作带不仅会划伤型材的表面，而且会使粘铝现象加剧。粘在工作带上的铝若未及时清理，会进一步划伤型材表面，严重时还会在型材的表面沿挤压方向留下一道道凹槽。由表 2 可知，国产试样内部存在较多的 MgAl2O4 尖晶石和 MgO 硬质杂质相。这些硬质杂质相具有特殊的形态和较高的硬度，导致其在挤压过程中易划伤模