反向擠壓鋁合金棒材尾端中心粗晶的成因分析

韓 嘯

(東北輕合金有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150060)

許多國(guó)內(nèi)外鋁合金生產(chǎn)和研發(fā)學(xué)者認(rèn)為在反擠壓時(shí)，金屬流動(dòng)均勻，制品周邊粗晶環(huán)薄，但實(shí)際生產(chǎn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，反向擠壓的某些合金棒材尾部的中心部位容易出現(xiàn)延續(xù)很長(zhǎng)一段的粗晶組織，這種粗晶組織與正向擠壓的粗晶環(huán)具有同樣的危害性。對(duì)這種中心粗晶組織的成因和形成機(jī)理未見(jiàn)到較系統(tǒng)的報(bào)導(dǎo)[1]。為提高成品率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，本文著重對(duì)反擠壓時(shí)坯料金屬的流動(dòng)情況、中心粗晶組織的成因和機(jī)理作一粗淺的探討，以尋求提高反擠壓制品表面質(zhì)量和減少中心粗晶的方法，為進(jìn)一步提高鋁合金反擠壓棒材質(zhì)量提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行試驗(yàn)，采用5 000t水壓機(jī)進(jìn)行棒材反向擠壓，具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1所示。

表1 LD5合金棒材反擠壓試驗(yàn)條件

按表1條件進(jìn)行LD5合金反擠壓后，在棒材尾部切取480mm長(zhǎng)的試樣，沿試樣縱向中心剖開(kāi)取其一半進(jìn)行固溶淬火，固溶淬火制度為：520℃保溫2h后出爐水淬。對(duì)中心面銑面后采用20%氫氧化鈉水溶液浸蝕介質(zhì)浸蝕10分鐘，再經(jīng)清水沖洗后采用25%硝酸水溶液光洗，然后再進(jìn)行低倍組織觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 棒材尾部組織

LD5合金Ф120mm棒材尾部試樣經(jīng)固溶淬火和蝕洗制備的低倍組織如圖1所示，從圖中可見(jiàn)，固溶淬火后棒材尾部試樣的中心部位沿漏斗形縮尾邊緣一直向前延伸有一特殊形狀的粗晶區(qū)。中心粗晶較棒材邊部的粗晶環(huán)大得多，一直延伸到整個(gè)試樣長(zhǎng)度，同時(shí)還可以看到中心粗晶沿整個(gè)試樣長(zhǎng)度方向的分布形狀、大小也是不一樣的，圖1所示漏斗形縮尾中的鑄造組織、中心粗晶及“核桃狀”組織是正向擠壓制品中所沒(méi)有的[2]，對(duì)圖中C處粗晶包著的“核桃狀”組織進(jìn)行金相顯微組織觀察，分析結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到，鑄態(tài)組織的枝晶網(wǎng)只有輕微的破斷，晶粒略顯扁長(zhǎng)，說(shuō)明這部分金屬只發(fā)生了很小的變形，基本保留著鑄造組織，由于這部分組織輪廓形狀酷似核桃，故稱作核桃狀組織。

圖1 LD5合金Ф120mm反擠壓棒材尾端低倍組織

圖2 圖1中C處的顯微組織

2.2 分析討論

2.2.1 中心粗晶組織

從金屬學(xué)理論可知，鋁合金與其它金屬材料一樣，經(jīng)塑性變形后，位錯(cuò)密度顯著升高，且隨變形程度的增大，位錯(cuò)增值越迅速，當(dāng)變形程度很小時(shí)，再結(jié)晶晶核較少，孕育期很長(zhǎng)，熱處理后將形成粗大晶粒，如果把變形程度逐步減小到達(dá)到進(jìn)行再結(jié)晶的最低變形程度，則再結(jié)晶后形成的晶粒最為粗大。導(dǎo)致再結(jié)晶的最小變形程度，通常稱作臨界變形度，當(dāng)變形程度超過(guò)臨界變形度后，加熱保溫時(shí)就會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。因此，反擠壓棒材中心粗晶的形成原因可以從變形程度的大小方面來(lái)分析[3,4]。

圖3為反擠壓時(shí)鑄錠中的金屬流動(dòng)景象，可以看到，在變形區(qū)中鑄錠的橫格具有與金屬流動(dòng)方向相反的特殊彎曲，由此決定了在擠壓后期靠近擠壓筒后堵頭的金屬與堵頭面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦而變形，這種變形屬于變形程度較小的切應(yīng)力作用下的形變，淬火后易形成中心粗晶組織。

圖3 反擠壓后期鑄錠金屬流動(dòng)坐標(biāo)網(wǎng)格變化示意圖

由于擠壓后期靠近擠壓筒后堵頭的金屬受堵頭的摩擦及冷卻作用，使得該處的金屬難以流動(dòng)，從而形成了反擠壓后端難變形區(qū)，又稱為死區(qū)。由反擠壓時(shí)金屬流動(dòng)特性可知，在死區(qū)與塑性流動(dòng)區(qū)交界處存在著劇烈的滑移區(qū)，在劇烈滑移區(qū)內(nèi)金屬遭到很大程度的破碎。圖2中A所指的區(qū)域就是劇烈滑移區(qū)，加上反擠壓時(shí)坯料較長(zhǎng)，擠壓筒溫度較鑄錠溫度低，所以隨擠壓過(guò)程的進(jìn)行，鑄錠變短，錠溫下降，導(dǎo)致擠壓筒后堵頭附近的金屬變形不均勻，擠壓力隨之增大，出現(xiàn)四周向中心流動(dòng)的金屬補(bǔ)充不足現(xiàn)象，所以迫使靠近堵頭附近的金屬沿滑移區(qū)而變形被帶入棒材中心，這時(shí)流入制品中心的金屬變形程度達(dá)到臨界變形度，但相對(duì)流變區(qū)的金屬變形程度小得多，經(jīng)淬火后形成中心粗晶。

由以上分析可知，在擠壓后期，流向制品中心的金屬達(dá)到一定變形程度時(shí)，制品淬火后形成粗大的晶粒組織。這種反擠壓棒材中心粗晶形成原因與正擠壓棒材淬火后粗晶環(huán)的形成原因大致相同，正擠壓時(shí)，金屬與擠壓筒壁摩擦再流經(jīng)劇烈滑移區(qū)，淬火后便形成環(huán)狀粗晶組織；反擠壓時(shí)，同

樣由于金屬與堵頭摩擦，再流經(jīng)劇烈滑移區(qū)，淬火后便形成中心粗晶。反擠壓后期由于金屬變形不均勻是導(dǎo)致反擠壓棒材中心粗晶形成的重要原因之一，但中心粗晶形成原因的更深入分析、其延伸長(zhǎng)度及與合金成分關(guān)系等問(wèn)題尚需進(jìn)一步開(kāi)展研究。

2.2.2 核桃狀組織

由圖2所示，組織的形成主要由于死區(qū)金屬受劇烈滑移區(qū)金屬的摩擦作用，且摩擦力的方向指向?？?，當(dāng)摩擦力大于金屬與堵頭間黏附力時(shí)，這部分金屬就被劇烈滑移區(qū)的金屬整塊地夾持?jǐn)y帶下來(lái)，流入到棒材中心部位，形成被粗晶包圍著的“核桃狀”鑄造組織。實(shí)踐調(diào)查證明：類(lèi)似這種核桃狀鑄造組織，在大多數(shù)的反擠壓棒材中都存在[5,6]。

2.2.3 漏斗狀縮尾

漏斗狀縮尾是鋁合金棒材反擠壓過(guò)程中普遍存在的一種縮尾形式，它原屬于擠壓制品的一種加工組織缺陷，它與正擠壓不同，由于正擠壓殘料留得較厚，擠壓末期，不容易出現(xiàn)中心金屬流動(dòng)補(bǔ)充不足的現(xiàn)象，因而不會(huì)形成漏斗狀縮尾，而對(duì)反擠壓來(lái)說(shuō)，漏斗狀縮尾是反向擠壓棒材所共有的，只是在不同合金或不同規(guī)格棒材中分布長(zhǎng)度有所不同，形成這種縮尾的原因是由于反擠壓時(shí)所留的殘料薄，于是在擠壓末期擠壓快終了時(shí)中心金屬就出現(xiàn)了嚴(yán)重的流動(dòng)補(bǔ)充不足現(xiàn)象，迫使靠近堵頭角落處的臟金屬沿著堵頭向模孔做徑向流動(dòng)，便形成了漏斗狀縮尾。

3 結(jié)論

(1)LD5合金反擠壓棒材尾部形成漏斗狀縮尾，縮尾邊緣有一特殊形狀的粗晶區(qū)，粗晶區(qū)主要包括中心粗晶區(qū)和“核桃狀”鑄造組織區(qū)。

(2)形成漏斗狀縮尾的主要原因是反擠壓時(shí)所留的殘料薄，擠壓末期中心金屬就出現(xiàn)嚴(yán)重的流動(dòng)補(bǔ)充不足現(xiàn)象，迫使靠近堵頭角落處的臟金屬沿著堵頭向?？讖较蛄鲃?dòng)，便形成漏斗狀縮尾。

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