液氮冷卻技術(shù)對(duì)擠壓制品表面質(zhì)量和組織性能影響的研究

王 燕，劉俊義

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

鋁合金在擠壓過程中，外力使鋁擠壓產(chǎn)品宏觀上變形，微觀上鋁合金內(nèi)部分子激烈運(yùn)動(dòng)，釋放出大量擠壓熱。在外力作用下，鋁產(chǎn)品與模具之間不斷摩擦，產(chǎn)生摩擦熱。擠壓熱和摩擦熱向模具傳導(dǎo)，模具溫度會(huì)不斷升高。如果溫度過高，會(huì)造成模具變形甚至損壞，以及模具表面所帶的金屬越來越多，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不良或產(chǎn)能下降。為了解決這一問題，使用液氮冷卻模墊，讓模具保持合適的溫度，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)能。同時(shí)，鋁合金熱擠壓產(chǎn)品在擠出模具時(shí)溫度較高，易被氧化。利用氮?dú)獾亩栊员Ｗo(hù)特性，可以一定程度上提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量「1」。

1 液氮降溫工作原理

整套系統(tǒng)由液氮儲(chǔ)槽、真空硬管、氣液分離器、液氮調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及真空軟管等組成。可與擠壓機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)擠壓機(jī)給出的擠壓信號(hào)自動(dòng)控制液氮供應(yīng)系統(tǒng)的啟停，同時(shí)根據(jù)擠壓機(jī)的溫度傳感器給出的模擬量信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)液氮通量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。液氮降溫系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

圖1液氮降溫系統(tǒng)工作示意圖

2 實(shí)施方案

為了驗(yàn)證液氮冷卻技術(shù)的可行性，需要對(duì)現(xiàn)有的模具組中的模墊進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和修改，同時(shí)為了使液氮導(dǎo)入模墊內(nèi)，也需要對(duì)模套鉆孔。在模墊側(cè)面加工出液氮的引流溝槽，液氮通過外部的鉆孔進(jìn)入模墊。模墊引流槽面與模具直接接觸。通過模墊表面的引流溝槽，液氮將汽化產(chǎn)生的冷量均勻地傳輸?shù)侥|。模墊再與模具之間進(jìn)行冷量傳遞。同時(shí)，由于汽化的氮?dú)鉁囟纫脖容^低，這樣就在模具出口的熱成型環(huán)節(jié)形成了一個(gè)既有冷卻作用又有保護(hù)作用的氛圍「2」。

整個(gè)試驗(yàn)采用簡(jiǎn)易液氮冷卻裝置進(jìn)行。

在具體的實(shí)施過程中，我們選用4種典型的合金規(guī)格，依次是：7050合金EL4674型材（“Z”字型材）、2A12合金XC141-7型材（角材）、Y430合金EL4465型材（18×4.1的排材）和6082合金EL5739型材（異型材）。前三種合金在1250t擠壓機(jī)φ130筒上調(diào)試生產(chǎn)，6082合金在2000t擠壓機(jī)φ170筒上調(diào)試生產(chǎn)。

圖2是上述選取的4種典型規(guī)格合金的模墊開槽設(shè)計(jì)圖。

圖2模墊開槽設(shè)計(jì)圖

3 液氮冷卻技術(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響

在鋁材擠壓過程中使用液氮冷卻模具，液氮的冷量是最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。簡(jiǎn)易裝置不能根據(jù)擠壓機(jī)的溫度傳感器給出的模擬量信號(hào)來自動(dòng)調(diào)節(jié)液氮通量，只能由操作人員通過觀察擠壓過程，如鐓粗階段、平流壓出階段、紊流壓出階段，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)液氮的通量。

液氮降溫技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，4種典型合金規(guī)格的擠壓表面質(zhì)量較通液氮前都有大幅度的提高。例如，7050和2A12合金型材在開啟液氮降溫前，同一套模具上的型材表面麻點(diǎn)麻面明顯，開啟液氮降溫后，型材表面基本無麻點(diǎn)麻面、金屬豆等缺陷，表面非常光滑，基本上與進(jìn)口制品相當(dāng)（如圖3所示）。而硅含量較高的Y430合金（Si含量達(dá)9%～11%，Cu含量達(dá)6.3%～7.3%），其擠壓生產(chǎn)難度較大，尤其是表面質(zhì)量問題突出。在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)3～5個(gè)制品表面就非常粗糙，擠壓紋路特別深。通液氮后，其擠壓制品表面質(zhì)量有了大幅度提高，基本可避免日常生產(chǎn)中嚴(yán)重的擠壓紋路缺陷（如圖4所示）。6082合金擠壓制品表面質(zhì)量較2系、7系要好很多，表面基本無麻點(diǎn)麻面現(xiàn)象，開啟液氮后，表面質(zhì)量再次提高，型材表面更為光滑。

圖3 2A12合金XC141-7型材開啟液氮前后對(duì)比圖

圖4 Y430合金EL4465小排材開啟液氮前后對(duì)比圖

選取6082合金和7050合金試樣在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，各樣品表面典型電鏡形貌見圖5。

圖5各樣品表面典型電鏡形貌

由圖5可知，采用未加液氮工藝生產(chǎn)的型材表面粘傷嚴(yán)重，擠壓條紋明顯；采用加液氮工藝生產(chǎn)的型材表面光滑，擠壓條紋輕微，未見明顯粘傷。

4 液氮冷卻技術(shù)對(duì)組織性能的影響

4.1 加液氮前后低倍組織

分別取采用未加液氮工藝和采用加液氮工藝的淬火態(tài)橫截面樣品進(jìn)行低倍檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1低倍結(jié)果

由表1可見，加液氮與否對(duì)擠壓制品的低倍組織影響不大。相反，使用液氮冷卻模墊，沖抵了一定的擠壓熱和摩擦熱，使模具保持合適的溫度，在一定程度上抑制了金屬的再結(jié)晶，不易于形成較大的粗晶組織。

4.2 加液氮前后顯微組織

6082、2A12采用加液氮工藝和未加液氮工藝的顯微組織未見明顯差異；7050、Y430合金樣品采用加液氮工藝后其組織中第二相的尺寸明顯偏?。ㄒ妶D6）。

圖6各樣品典型顯微組織

4.3 加液氮前后力學(xué)性能

分別取采用未加液氮工藝和采用加液氮工藝的熱處理后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2各合金規(guī)格加液氮前后的力學(xué)性能

通過表2的數(shù)據(jù)可見，加液氮與否對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能幾乎沒有影響。

5 小結(jié)

（1）液氮冷卻技術(shù)在擠壓制品上的應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果表明，增加液氮冷卻后，擠壓制品表面質(zhì)量大幅度提高，基本無麻點(diǎn)麻面、金屬豆等缺陷，擠壓態(tài)的制品基本上與進(jìn)口制品相當(dāng)。

（2）通過對(duì)比加液氮冷卻工藝和未加液氮冷卻工藝的擠壓制品的組織和性能，擠壓制品的低倍組織和力學(xué)性能差異不大，增加液氮冷卻后，部分合金的顯微組織中第二相的尺寸明顯偏小。

（3）增加液氮冷卻工藝后，擠壓速度可得到一定程度的提高，同時(shí)減少了對(duì)模具的磨損，理論上減少了高溫下的膨脹以及多次修模的損耗，對(duì)模具工作帶以及模具本身起到一定的保護(hù)作用。