模具結(jié)構(gòu)對(duì)平板型材粗晶環(huán)厚度的影響

黃澤濤，賴昌鴻，項(xiàng)勝前，何志祥，李 凱，周江平

廣東豪美鋁業(yè)股份有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511540

粗晶環(huán)是在擠壓制品周邊上形成的環(huán)狀粗大晶粒區(qū)域，是擠壓制品的一種組織缺陷，粗晶環(huán)中的晶粒尺寸可超過(guò)原始晶粒尺寸的10～100倍.粗晶環(huán)會(huì)引起擠壓制品力學(xué)性能降低、拉伸矯直表面粗糙、陽(yáng)極氧化表面不美觀，以及坯料鍛造時(shí)在粗晶區(qū)產(chǎn)生裂紋等問(wèn)題[1].產(chǎn)生粗晶環(huán)的根本原因是再結(jié)晶，當(dāng)不潤(rùn)滑正向擠壓時(shí)，錠坯表面與擠壓筒的強(qiáng)烈摩擦使得外層金屬的變形程度比中心區(qū)高幾十倍，同時(shí)外層金屬受到較大的剪切變形，晶粒遭到較大的破碎，使內(nèi)能增高，再結(jié)晶溫度降低[2].

粗晶環(huán)是行業(yè)內(nèi)最難解決的問(wèn)題之一，至今還沒(méi)有徹底的解決方法.行業(yè)內(nèi)解決粗晶環(huán)問(wèn)題時(shí)，主要集中在控制合金化工藝、熔鑄工藝[3]及擠壓工藝條件等方面，如適當(dāng)加入晶粒細(xì)化元素Mn和Cr等[4]、采用低溫快速擠壓工藝[5-6]、快速冷卻設(shè)備改造[7]及后續(xù)處理(冷變形消除粗晶)[8-9]等手段，也有人提出通過(guò)改變模角來(lái)減少粗晶環(huán)的厚度[10].但上述這些方法和手段，在實(shí)際生產(chǎn)中改善效果并不理想，有的操作實(shí)施難度大.

本文提出一種模具，其結(jié)構(gòu)可改變平板型材的粗晶環(huán)厚度于同一截面上的分布規(guī)律，可大大地減少平板型材單邊粗晶環(huán)的厚度，滿足客戶的特殊要求.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試 樣

研究使用的鋁型材是壁厚為9.7 mm、寬度為177.5 mm的帶圓角的平板型材，型材材質(zhì)選擇6063鋁合金，模具材質(zhì)選擇H13模具鋼.

1.2 方 法

模具的設(shè)計(jì)方案有二種，第一種為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即中間小兩頭大的導(dǎo)流孔及焊合室設(shè)計(jì)，如圖1所示；第二種設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)理念不一致，是將?？装胝诒?，如圖2所示.兩次擠壓及模擬擠壓分析均采用相同的擠壓工藝，其中棒的溫度為480 ℃，模具的溫度為450 ℃，擠壓筒的溫度為450 ℃，擠壓速度約9 m/min.模擬過(guò)程中將整個(gè)模型分為棒料、導(dǎo)流孔、工作帶、型材、上模和下模6個(gè)部分，并且進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中工作帶和型材部分采用三棱柱網(wǎng)格，模具、導(dǎo)流孔和棒料部分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為23萬(wàn).工作帶區(qū)域摩擦類型為粘塑性(Viscoplastic)，摩擦系數(shù)為0.3，其余區(qū)域摩擦類型均為剛性(Stick).熱傳遞模型為對(duì)流傳熱模式(Conversion)，系數(shù)為3000 W/m2.

用金相顯微鏡觀察平板型材邊緣的組織與結(jié)構(gòu)，利用HyperXtrude軟件研究?jī)赡＞吆负锨粔毫Ψ植?、金屬流?dòng)均勻性及成型區(qū)域溫度的分布.

圖1 常規(guī)模具三維實(shí)體模型(a)導(dǎo)流板；(b)模具截面圖Fig.1 3D entity model of conventional mold(a)diversion plat；(b)sectional view of mold

圖2 半遮蔽式模具三維實(shí)體模型(a)導(dǎo)流板；(b)模具截面圖Fig.2 3D entity model of semi-shielded mold(a)diversion plat；(b)sectional view of mold

2 結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖3為常規(guī)模具生產(chǎn)出的型材邊緣顯微組織圖.從圖3可見(jiàn)：圓弧面的粗晶環(huán)厚度約為965.52 μm(圖3(a))，非圓弧面的粗晶環(huán)厚度約為943.2 μm(圖3(b))；兩面的粗晶環(huán)厚度沒(méi)有明顯的區(qū)別，粗晶環(huán)區(qū)域的晶粒大小約為265.5 μm.

圖3 常規(guī)模具型材粗晶環(huán)厚度(a)圓弧面；(b)非圓弧面Fig.3 The thickness of coarse-grained layer of profile of conventional mold (a)arc surface；(b)non-arc surface

圖4為半遮蔽式模具生產(chǎn)出的型材邊緣顯微組織圖.從圖4可見(jiàn)：圓弧面粗晶環(huán)厚度約為336.74 μm(圖4(a))，非圓弧面粗晶環(huán)厚度約為1168.36 μm(圖4(b))；圓弧面粗晶環(huán)區(qū)域的晶粒大小約為135.43 μm，而非圓弧面粗晶環(huán)區(qū)域的晶粒大小約為311.64 μm；圓弧面粗晶環(huán)厚度明顯比非圓弧面的薄，晶粒尺寸也明顯小于非圓弧面的.結(jié)果表明，通過(guò)改變模具結(jié)構(gòu)后可明顯改變粗晶環(huán)厚度的分布.

圖4 半遮蔽式模具型材粗晶環(huán)厚度(a)圓弧面；(b)非圓弧面Fig.4 The thickness of coarse-grained layer of profile of semi-shielded mold(a)arc surface；(b)non-arc surface

2.2 結(jié)構(gòu)分析

圖5為兩模具焊合室內(nèi)焊合壓力分布圖.從圖5(a)可見(jiàn)，常規(guī)模具型材成型區(qū)域兩側(cè)焊合壓力分布對(duì)稱，出口區(qū)域焊合壓力約43.36 MPa.從圖5(b)可見(jiàn)，半遮蔽式模具型材成型區(qū)域兩側(cè)焊合壓力分布不均勻，圓弧面焊合壓力高于非圓弧面區(qū)域，圓弧面焊合壓力為118.5 MPa，非圓弧面焊合壓力為92.5 MPa，出口區(qū)域焊合壓力約64.89 MPa.在實(shí)際應(yīng)用中，常采用加強(qiáng)焊合壓力來(lái)改善晶粒粗大及焊合不良等問(wèn)題.

圖5兩模具焊合室內(nèi)焊合壓力分布圖(a)常規(guī)模具；(b)半遮蔽式模具Fig.5 Welding pressure distribution of welding chamber of two dies (a)conventional mold；(b)semi-shielded mold

圖6為金屬流動(dòng)分布圖.從圖6(a)可見(jiàn)，在常規(guī)模具的焊合腔及成型區(qū)域內(nèi)，金屬流動(dòng)不均勻，兩端比中間流動(dòng)速度快.從圖6(b)可見(jiàn)，在半遮蔽式模具的焊合腔及成型區(qū)域內(nèi)，金屬流動(dòng)均勻，兩端與中間金屬流動(dòng)速度差異不明顯.結(jié)果表明，半遮蔽式模具的結(jié)構(gòu)能改善金屬流動(dòng)性.金屬流動(dòng)均勻性的改善，能有效地抑制粗晶的產(chǎn)生.

圖6 金屬流動(dòng)分布圖(a)常規(guī)模具；(b)半遮蔽式模具Fig.6 The distribution of the metal flowing of two dies(a)conventional mold；(b)semi-shielded mold

圖7為模具型材成型區(qū)域溫度的分布圖.從圖7可見(jiàn)：常規(guī)模具型材成型區(qū)域的兩側(cè)溫度分布對(duì)稱，型材中心位置溫度最高，向兩側(cè)逐漸擴(kuò)展，圓弧面溫度約為567.5 ℃，非圓弧面溫度約為564.0 ℃；半遮蔽式模具型材成型區(qū)域的兩側(cè)溫度分布不均勻，圓弧面溫度遠(yuǎn)低于非圓弧面區(qū)域，圓弧面溫度約為550.1 ℃，非圓弧面溫度約為569.6 ℃.溫度分布不均勻是影響粗晶環(huán)厚度分布不均的主要原因,主要是以下三方面：金屬的變形阻力σs降低，使變形不均勻性增加；再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大的速率增大；有利于第二相的析出與聚集，降低了再結(jié)晶的溫度，削弱了對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用.

3 結(jié) 論

(1)常規(guī)模具平板型材圓弧面及非圓弧面的粗晶環(huán)厚度一致，最大粗晶環(huán)厚度約965.42 μm，半遮蔽式模具平板型材圓弧面的粗晶環(huán)厚度遠(yuǎn)小于非圓弧面的粗晶環(huán)厚度，圓弧面粗晶環(huán)厚度約為311.64 μm，非圓弧面粗晶環(huán)厚度約為1168.36 μm，半遮蔽式模具能改變粗晶環(huán)厚度分布.

(2)半遮蔽式模具焊合腔內(nèi)部焊合壓力較常規(guī)模具的大，并呈現(xiàn)不對(duì)稱分布.

(3)于焊合腔及成型區(qū)域內(nèi)部，半遮蔽式模具的金屬流動(dòng)性較常規(guī)模具均勻.

(4)半遮蔽式模具成型區(qū)域圓弧面的溫度低于非圓弧面的溫度，這是影響粗晶環(huán)厚度差異的重要原因.

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧杰.鋁合金擠壓制品粗晶環(huán)形成機(jī)理探討[J].黑龍江冶金，2001(3)：8-10.

[2] 張勝華，覃業(yè)霞.鋁合金擠壓制品粗晶環(huán)形成機(jī)理研究[J].鋁加工，2001(2)：16-20.

[3] 于國(guó)林.控制6A02-T6鋁合金XC065型材粗晶環(huán)的工藝研究[J].輕合金加工技術(shù)，2012(12)：38-39.

[4] 張振錄，袁季崗，李啟華.某些鋁合金的化學(xué)成分與其擠壓制品粗晶環(huán)的關(guān)系[J].輕合金加工技術(shù)，1981(5)：27-35.

[5] 張燕飛.6A02鋁合金棒材粗晶環(huán)形成原因分析[J].黑龍江冶金，2008(1)：17-18.

[6] 李明娥，段勇，王洪禮， 等.6061鋁合金等溫?cái)D壓工藝參數(shù)優(yōu)化及粗晶環(huán)機(jī)理研究[J].甘肅科技，2013(5)：45-48.

[7] 王奕雷，田旺源.6A02鋁合金擠壓棒材粗晶環(huán)控制方法[J].輕合金加工技術(shù)，2012(8)：45-48.

[8] 張勝華，胡澤豪.冷拉拔對(duì)LY12鋁合金小棒組織和性能的影響[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996(2)：190-193.

[9] 文方，李鐵.2A02鋁合金擠壓棒材粗晶環(huán)的消除方法[J].輕合金加工技術(shù)，2003(3)：33-35.

[10] PARSON N，JOWETT C.The influence of die bearing geometry on surface recrystallisation of 6xxx extrusions[C]//The International Aluminum Extrusion Technology Seminar.Miami：Aluminum Extruders Council(AEC)，2012：19-31.