文章编号：1004-0609(2011)07-1521-06
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 mm2/kg，明显高于进口型材的杂质总含量(0.016 mm2/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 on surface quality of
6061 special-shaped radiator aluminum profile
LUO Song1, 2, LIN Gao-yong1, ZENG Ju-hua1, SUN Li-ping1, ZOU Yan-ming1, ZHOU Yu-xiong1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Shanxi Yangquan Aluminium Industry Co., Ltd, Yangquan 045003, China)
Abstract：Contrastive analyses of two kinds of 6061 special-shaped 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 mm2/kg, which is obviously higher than that of the imported one (0.016 mm2/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: 6061 radiator 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Gensis 60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。
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 of imported profile
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。
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, %)
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0.195 mm2/kg；而进口试样较纯净，其杂质含量仅为0.016 mm2/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具工作带，进而影响型材的表面质量。
2.4 组织分析
图3所示为国产和进口两种型材的背散射电子像。由图3(a)可知，国产试样中除基体外，有两种很明显的特征相，如A和B点所示。此外，国产试样中还有少量呈弥散分布的细小颗粒物相。由于这些相面积太小，在能谱仪上难以精确捕捉。由图3(b)可知，进口试样中主要有大块状白色相和呈细小弥散分布的灰白色相，如D和C点所示。对A、B、C和D点进行能谱分析，其结果如表3所列。根据元素的摩尔比，同时参考文献[10-11]发现，除基体外，国产试样中的主要特征相是大块状的Fe2Si2Al9相和小块状的Mg2Si相，而进口试样中主要有小块状Fe2Si2Al9相和呈细小弥散分布、以MgCl2为代表的氯化物相。
表2 两种6061铝型材的杂质分析结果
Table 2 Results of inclusion analysis of two kinds of 6061 aluminum profiles
图2 铝液杂质分析试样的微观组织
Fig.2 Microstructures of samples of aluminum liquid for inclusion analysis: (a), (b) Domestic sample; (c), (d) Imported sample
图3 两种6061铝型材的背散射电子像(未腐蚀)
Fig.3 BSEM images of two kinds of 6061 aluminum profiles (without corrosion): (a) Domestic sample; (b) Imported sample
对两种试样进行比较发现，两种试样中都存在块状Fe2Si2Al9相，但是国产试样中Fe2Si2Al9相的数量更多、更粗大，且不均匀。文献[10]结果显示，当6000系合金中Si含量高于Fe含量时，会生成针状Fe2Si2Al9相。该针状相硬而脆，显微硬度高达578 HV，在加工过程中容易破碎成块状。块状Fe2Si2Al9虽然能够提高型材的抗拉强度和硬度，但由于该相质点粗大，且很硬，位错不易切割，因此，降低了合金的挤压性能，且容易拉伤或划伤型材表面以及模具的工作带，在变形中还易成为裂纹源，降低合金的断裂韧性[11-12]。因此，国产试样中存在较多粗大且分布不均匀的Fe2Si2Al9硬质相也是造成国产型材表面质量不佳的重要原因。
表3 图3所示特征点的能谱分析结果
Table 3 Energy spectrum analysis results of characteristic locations in Fig.3
图4所示为两种型材的金相组织。由图4可看出，两种型材中都存在较明显的相脱落，根据文 献[13-15]，可判断其为Mg2Si相。结合图3所示型材的背散射电子像可知，Fe2Si2Al9相的面积比Mg2Si相的大，由此可判断，图4所示的粗大圆状相为Fe2Si2Al9相。对两种试样进行比较发现，国产试样中的Fe2Si2Al9相更多、更粗大，且分布不均匀，这和扫描电镜分析得到的结果是一致的。
图4 两种6061铝型材的金相组织
Fig.4 Metallographic structures of two kinds of 6061 aluminum profiles: (a) Domestic sample; (b) Imported sample
2.5 力学性能
对两种型材分别进行室温力学性能测试，结果如表4所列。由表4可知，与进口试样相比，国产试样抗拉强度的增幅小于10%，而伸长率的降低幅度却大于20%。这是因为国产试样中合金元素的含量较高，合金元素之间及其与杂质之间形成的强化相提高了材料的抗拉强度，但是，这些强化相中部分相硬而脆，且较粗大，如Fe2Si2Al9相等，在变形过程中容易成为裂纹源，从而能大幅度降低型材的塑性。
表4 两种6061铝型材的室温力学性能
Table 4 Mechanical properties of two kinds of 6061 aluminum profiles at room temperature
3 结论
1) 国产试样中杂质的总含量(0.195 mm2/kg)高于进口试样的(0.016 mm2/kg)。两种试样中的主要杂质类型均为晶粒细化剂、镁化合物(MgO、MgAl2O4立方晶和尖晶石)以及氯化物，但国产试样中存在较多的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，在加工过程中易划伤模具工作带而降低型材的表面质量。
2) 国产6061铝型材中的合金元素Mg和Si的含量高于进口试样的，但由于形成了较多大块状、硬而脆的Fe2Si2Al9相，因此，国产型材的强度虽稍高于进口型材的，但伸长率却较大幅度地下降，也影响型材的表面质量。
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(编辑 陈卫萍)
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目资助(2007BAE38BO4)
收稿日期：2010-06-18；修订日期：2010-09-19
通信作者：林高用，教授，博士；电话：13507422779；E-mail: gylin6609@yahoo.com.cn
