避免鋁合金擠壓棒材產(chǎn)生粗晶的模具結(jié)構(gòu)研究

韋錦輝，黃雪梅，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550）

避免鋁合金擠壓棒材產(chǎn)生粗晶的模具結(jié)構(gòu)研究

韋錦輝，黃雪梅，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550）

鋁合金棒材應(yīng)用廣泛，其生產(chǎn)過程中的主要問題是粗晶的出現(xiàn)，目前解決這一問題的方法主要是通過化學(xué)成份與擠壓工藝的改進以及采用均勻化處理。通過分析擠壓過程中金屬成形的特點，介紹了實踐中通過改變模具結(jié)構(gòu)而改變金屬的變形程度和提高成形過程中的壓應(yīng)力從而可以減少或避免粗晶產(chǎn)生的模具結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)實踐證明該方法是可行有效的。

鋁合金棒材；粗晶；模具結(jié)構(gòu)；變形程度；壓應(yīng)力

0　前言

由于鋁合金具有良好的抗腐蝕性、可焊接性和輕量性等特性，使擠壓棒材的應(yīng)用越來越廣泛。但在棒材的生產(chǎn)過程中，最大的問題是棒材容易出現(xiàn)粗晶環(huán)現(xiàn)象，嚴重影響材料的使用性能。為了解決這一問題，國內(nèi)外許多技術(shù)人員進行了大量的研究，但主要集中在對鋁合金的擠壓工藝、合金的化學(xué)成份、均勻化處理對棒材力學(xué)性能及粗晶環(huán)的影響方面，例如采用反向擠壓在線淬火＋拉撥＋人工時效的方式[1]，目前鋁合金棒材的生產(chǎn)方式主要采用正擠壓方式[2]。這些研究都忽視了成形過程對棒材力學(xué)性能的影響，即擠壓變形程度及應(yīng)力對晶粒大小的影響。雖然棒材的晶粒度大小與擠壓溫度、速度、變形程度等因素有關(guān)，而且變形程度與擠壓比直接有關(guān)，但是，在相同擠壓比的情況下，模具結(jié)構(gòu)的不同，也可影響成形過程中的變形難易，使得擠壓力也是不同的。而擠壓力越大，則形成三向壓應(yīng)力將越大，這將有利于晶粒細化。本文另辟路徑，通過改變模具結(jié)構(gòu)的方式，從而改變成形過程中的變形程度、提高金屬成形的壓應(yīng)力，繼而細化棒材的晶粒度，供同行參考。

1　傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)與分析

傳統(tǒng)的鋁合金棒材生產(chǎn)方式是采用正擠壓的中心擠壓方式，即型孔處于模具的中心并與擠壓筒的中心相重合。模具結(jié)構(gòu)通常采用帶導(dǎo)流室的形式[3]，為普通的模面（子）與模墊的結(jié)合方式，如圖1所示。采用這種方式，模具制造簡單，擠壓變形程度小，擠壓力低，不足之處是型材的晶粒度大，容易出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，所獲得的力學(xué)性能及導(dǎo)電率較低。造成這種現(xiàn)象的原因是，一方面擠壓比小，變形程度小所產(chǎn)生的靜水壓力??；另一方面，傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)只有一次金屬預(yù)變形，因此，預(yù)變形的程度較大。據(jù)有關(guān)實驗表明，金屬的再結(jié)晶溫度與金屬的預(yù)變形程度有關(guān)，金屬的預(yù)變形程度越大，再結(jié)晶的溫度就越低。這是由于預(yù)變形程度越大，金屬晶粒的破碎程度便越大，產(chǎn)生的位錯等缺陷就越多，組織的不穩(wěn)定性就越明顯，因而會在較低的溫度下開始再結(jié)晶[5]。再結(jié)晶后的金屬，一般都得到小而均勻的等軸晶粒，如溫度繼續(xù)升高，再結(jié)晶后的晶粒又以相互呑并的方式長大，因此，造成產(chǎn)品出現(xiàn)粗晶的現(xiàn)象。

圖1　傳統(tǒng)的平面模結(jié)構(gòu)示意圖

為了得到更可靠的設(shè)計參數(shù)，在實踐中，采用了循序漸進的方式，首先進行模具試驗，然后進行結(jié)構(gòu)改進。

2　模具試驗

2.1理論依據(jù)

（1）熱擠壓時晶粒的擴散速度與合金中的應(yīng)力有關(guān)，三向壓應(yīng)力使擴散速度降低，壓應(yīng)力越大，擴散速度越小，從而使晶粒細化[6]。

（2）擠壓時，由于模具幾何約束與強烈的摩擦作用，使外層金屬流動滯后于中心部分，外層金屬內(nèi)呈很大的應(yīng)力梯度和拉應(yīng)力狀態(tài)，因此，促進了Mn的析出，使固溶體的再結(jié)晶溫度降低，產(chǎn)生一次再結(jié)晶，但因第二相由晶內(nèi)析出后呈彌散質(zhì)點狀態(tài)分布在晶界上，阻礙晶粒的集聚長大[6]。

2.2試驗過程

以φ25mm的棒材作為試驗產(chǎn)品，分別在擠壓能力為8MN和18MN的擠壓機上進行擠壓。設(shè)計并制作模具4套，分別編號為1?！?＃，模具的主要形式如下：

1＃模具：8MN，單孔設(shè)計；2＃模具：18MN，單孔設(shè)計；3＃模具：18MN，雙孔設(shè)計；4＃模具：18MN，偏心單孔設(shè)計。

?？撞贾萌鐖D2所示，每套?？椎某叽纭?dǎo)流室尺寸、工作帶尺寸都完全一致，試驗結(jié)果對比方案如表1所示。

圖2　試驗?zāi)＞叩哪？撞贾檬疽鈭D

表1　模具試驗與結(jié)果對比方案

在設(shè)定相同的擠壓溫度和速度下對上述4套模具進行上機擠壓。每套模具上機擠壓后，截取長度為1m的樣品各4個，然后進行晶粒度的檢測與比較。檢測與比較的方法，采用工廠目前通行的做法，簡單而實用：即將樣品放入工廠氧化車間的酸洗槽中約25～30min，取出在清水槽中清洗干凈，就可以用目測的方法看出棒材樣品的晶粒度大小。

對表1中的4套模具擠壓后的樣品，采用上述方法檢測并進行晶粒度比較。結(jié)果顯示，2＃模與4＃模所得到的樣品的晶粒是最小和最均勻的，尤其是以4＃模的樣品最佳；而1＃模與3＃模的樣品所表現(xiàn)的晶粒度幾乎一致。由此可以看出，擠壓系數(shù)越大或變形程度越大，所獲得的產(chǎn)品的晶粒將越細小、均勻。從表1也可看出，1＃模與3＃模的擠壓系數(shù)相近，而2＃模與4＃模的擠壓系數(shù)一樣，但要比1＃模與3＃模的擠壓系數(shù)大近1倍。雖然2＃模與4＃模的擠壓系數(shù)相同，但4＃模的模孔偏離了中心一定的距離，所以變形程度要大些。另一方面，從現(xiàn)場記錄的擠壓力情況顯示，4＃模的擠壓力為最大，其次為2＃模。

3　改進后的模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗的結(jié)果并分析提高擠壓力從而增加成形過程中的三向壓應(yīng)力及增大變形程度的方法，列舉了下例幾種模具，對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改進與制造并投入擠壓生產(chǎn)。生產(chǎn)表明，結(jié)構(gòu)改進后的模具，可大幅度提高擠壓力，得到產(chǎn)品的晶粒細小均勻，沒有粗晶的出現(xiàn)，可滿足用戶的要求，現(xiàn)將模具結(jié)構(gòu)介紹如下。

3.1階梯式的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)為采用導(dǎo)流板與模子結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3　階梯式導(dǎo)流孔平面模結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　偏心式?？椎钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖

采用這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流孔或?qū)Я魇也捎秒A梯形式，導(dǎo)流板的厚度可取得相對較大一些，可取模具總厚的60%～70%，階梯的級數(shù)可以2～5級，相鄰階梯孔徑相差4～10mm，階梯高度取15～25mm，目的在于增加擠壓成形過程中的剛性區(qū)，增加變形時的阻力，使金屬經(jīng)過多次的預(yù)變形，提高擠壓力，從而達到提高成形過程中的靜水壓力。因為在擠壓成形過程中，壓應(yīng)力能降低組織的擴散速度，壓應(yīng)力越大則擴散速度越小從而抑制晶粒的長大[4]，進而獲得良好的表面質(zhì)量和致密的內(nèi)部組織。

3.2偏心式模孔結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是打破常規(guī)的?？撞贾梅绞?，將?？字糜谄x模具中心的某一位置上，如圖4所示。

采用這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流孔邊緣離擠壓筒內(nèi)壁距離應(yīng)大于10mm，這種結(jié)構(gòu)大大增加了變形程度和擠壓力，從而大大提高了金屬擠壓變形過程中的靜水壓力，因而可獲得晶粒更為細小的內(nèi)部組織。同時，由于離?？鬃钸h端的金屬進入?？椎淖枇Υ蟠筇岣吡?，這相當(dāng)于增大了擠壓筒的內(nèi)徑，間接地增加了擠壓系數(shù)。因此，采用這種結(jié)構(gòu)，可避免粗晶的產(chǎn)生，同時可充分發(fā)揮擠壓設(shè)備的潛能。

采用這種結(jié)構(gòu)，模子與導(dǎo)流板要以止口的方式進行組合，同時，?？撞荒懿捎密囅骰蚓シ绞竭M行加工，而必須采用電加工進行，由于模孔為圓形，所以加工的難度也不大。

3.3導(dǎo)流孔斜入式階梯導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)有兩種形式：

（1）第一種形式是將?？字糜谀＞叩闹行模⑶以谀Ｗ由显鲈O(shè)1～2級導(dǎo)流室或?qū)Я髑?，而?dǎo)流板上的導(dǎo)流入口則置于偏離模具中心的某一位置并以擴展斜入的方式進入?？?，如圖5所示。

圖5　斜入式?？自谥行牡钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖

采用這種結(jié)構(gòu)，模孔的加工可采用車削或磨削的方式進行，可以得到很高的尺寸精度和表面質(zhì)量，因而可獲得質(zhì)量相當(dāng)高的棒材產(chǎn)品。對于尺寸精度和表面質(zhì)量、晶粒度有較高要求的棒材可采用這種結(jié)構(gòu)，更為有效。

（2）第二種形式是將?？字糜谄x模具中心的某一位置上，而導(dǎo)流板上的導(dǎo)流入口則置于模具中心并以擴展斜入的方式進入模孔，如圖6所示。

圖6　斜入式?？灼牡钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖

采用這兩種形式時，模子與導(dǎo)流板要以止口的方式進行組合，導(dǎo)流孔斜入角度以55～65為宜，入口導(dǎo)流孔尺寸要比?？壮叽绱?0～20mm。

這兩種結(jié)構(gòu)形式對于擠壓系數(shù)小，而采用擠壓能力小的擠壓機的生產(chǎn)方式更為合適。因為，通過提高擠壓系數(shù)來增加變形程度最直接的方式就是選用擠壓筒內(nèi)徑較大的擠壓機，但這同樣將大大增加模具的尺寸與擠壓過程的能耗，因此，一味的追求擠壓機能力的增大在實際中也是不現(xiàn)實的。

4　結(jié)論

結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)的合理改變也可以改變金屬成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)，可以提高靜水壓力。因此，可以得出這樣的結(jié)論：提高棒材的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，避免出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，在對合金成份工藝的研究與改進的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬成形的原理，研究金屬變形的過程，突破模具設(shè)計的理念，改變模具的結(jié)構(gòu)，將會更有效地提高棒材產(chǎn)品的表面質(zhì)量和綜合力學(xué)性能。

[1]陳丁文，李飛慶，等. 化學(xué)成份和均勻化處理對6061鋁合金棒材粗晶環(huán)的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2014（02）: 47-48

[2]馮永平. 6061鋁合金工業(yè)材反向擠壓工藝[J]. 世界有色金屬，2012（02）：35-37

[3]鄧汝榮，曾蕾. 大斷面實心鋁型材導(dǎo)流模的設(shè)計分析[J].輕合金加工技術(shù)，2014（11）: 29-31

[4]謝建新，劉靜安. 金屬擠壓理論與技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，北京，2001：28-31，66-69

[5]胡鳳翔，于艷麗. 工程材料及熱處理[M].北京理工大學(xué)出版社，北京，2012:41-42

[6]武紅林，宋微，等. 鋁合金型棒材擠壓生產(chǎn)[M].中南大學(xué)出版社，長沙，2011: 46-48，50-52

（編輯：余東梅）

Study for Die Structure of Avoiding Coarse Grain in Aluminum Alloy Extruded Bars

WEI Jin-hui，HUANG Xue-mei，DENG Ru-rong
（Guangzhou Vocational College of Science and Technology，Guangzhou 510550）

Aluminum alloy bars are applied widely. The main problem for production process is coarse grain. The main methods to solve this problem are mainly improved by chemical composition and extrusion technique and introduction of homogenization treatment. Through analyzing the characteristics of the metal in the process of extrusion forming，it was introduced that coarse grain can be reduced or avoided by aid of deformation degree and change of metal by changing the die structure and improving pressure stress during forming. The practice shows that it is feasible.

aluminum alloy bar; coarse grain; die structure; the degree of deformation; pressure stress

TG375+.41

A

1005-4898（2016）02-0037-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.07

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金（“攀登計劃”專項資金，pdjh2016b0865）

韋錦輝（1994-），男，廣東湛江人，在校學(xué)生。

2015-07-02