NaOH堿洗在正向鋁合金擠壓中的綜合應(yīng)用

張亞桐，龐 鑫，陳長(zhǎng)柱，高淑閣

（中信渤海鋁業(yè)公司，河北 秦皇島 066000）

鋁合金比重小，力學(xué)性能良好，廣泛應(yīng)用于民用建筑、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域[1]，鋁材發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它金屬材料，用量?jī)H次于鋼鐵而居于第二位[2]。鋁合金擠壓成形以其發(fā)展成熟、操作方便、生產(chǎn)簡(jiǎn)單、以及優(yōu)異的表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，成為鋁及鋁合金材料加工成型中普遍使用的方式之一。對(duì)鋁型材擠壓生產(chǎn)企業(yè)而言，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和擠壓工藝參數(shù)的優(yōu)化是最重要的一件事。

鋁擠壓過程是在模具的密閉環(huán)境內(nèi)完成的，因此在擠壓過程中無法直觀評(píng)判其過程是否合理。往往只在擠壓完成后，測(cè)量型材的尺寸和檢驗(yàn)各項(xiàng)性能。對(duì)擠壓過程的金屬流動(dòng)規(guī)律等，各科學(xué)研究者多采用模擬軟件進(jìn)行分析研究。但擠壓過程變化量極多，最終金屬變形、流速等具體發(fā)生了哪些變化，需要一個(gè)具象化的過程。大部分企業(yè)并沒有高端檢測(cè)手段，所以模具內(nèi)金屬流動(dòng)的課題多還停留在各高校或研究機(jī)構(gòu)內(nèi)。本文除了介紹一些NaOH堿洗的常規(guī)用途外，重點(diǎn)介紹NaOH堿洗在鋁型材、壓余、部分模腔鋁中的應(yīng)用，通過相對(duì)簡(jiǎn)單、直觀的檢測(cè)方式，了解擠壓過程中的內(nèi)部過程，從而有目的地對(duì)模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行改善。

1 堿洗原理及制樣過程

金屬Al性質(zhì)活潑，極易氧化，形成Al2O3。金屬Al是典型的兩性金屬，既能與酸反應(yīng)生產(chǎn)生成鋁鹽（Al3+鹽），又能與強(qiáng)堿液反應(yīng)形成鋁酸鹽Al(OH)4-，具有顯著的酸堿兩性。金屬鐵不與堿液反應(yīng)，氧化鐵也是堿性氧化物，也不與堿液反應(yīng)。所以可以利用堿液去除擠壓后模具內(nèi)的殘鋁。擠壓廠多采用便宜的NaOH強(qiáng)堿溶液。Al與NaOH溶液的反應(yīng)，見式（1）；Al2O3與NaOH溶液的反應(yīng)，見式（2）。

本文涉及多個(gè)試樣，堿洗前均進(jìn)行了530℃*2h的熱處理，堿洗濃度250g/l，堿洗液溫度100℃。堿洗時(shí)間以能看到觀察目標(biāo)為宜，與鋁合金的表面積、成分等有關(guān)系，所以堿洗時(shí)間并不固定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 堿洗在確認(rèn)鋁型材縱向焊合線中的應(yīng)用

對(duì)于空腔鋁型材如果采用分流模具擠壓，會(huì)出現(xiàn)相鄰兩股金屬之間的焊合，通常沿?cái)D壓方向焊合，故稱之為縱向焊合[3]。采用NaOH堿洗的方式可以確定實(shí)際型材縱向焊合線的位置，以便取機(jī)械性能樣時(shí)避開縱向焊合的位置。在做脹裂實(shí)驗(yàn)有不合格結(jié)果時(shí)，若裂紋沿?cái)D壓方向呈近似直線型擴(kuò)展，整個(gè)斷面平齊，斷口出現(xiàn)凹凸不平脆性斷裂形貌，如圖1(a)所示。NaOH堿洗漲裂不合格樣后，發(fā)現(xiàn)漲裂不合格的斷口與縱向焊合線重合，如圖1(b)所示，且能明顯看到縱向焊合線所在區(qū)域有多處非連續(xù)的孔洞，表明產(chǎn)生了縱向焊合不良。

圖1 脹裂實(shí)驗(yàn)后斷裂特征(a)和對(duì)應(yīng)型材NaOH堿洗斷面(b)

2.2 堿洗在確認(rèn)鋁型材橫向焊合線中的應(yīng)用

對(duì)于擠壓連續(xù)生產(chǎn)過程，上一鑄錠殘余在分流孔及焊合室或者導(dǎo)流板及導(dǎo)流坑的金屬會(huì)在下一鑄錠擠壓過程中逐步被帶出模具，形成兩鑄錠的結(jié)合界面，通常稱之為橫向焊合[3]。采用NaOH堿洗的方式可以確定實(shí)際型材橫向焊合區(qū)域的長(zhǎng)度范圍，從而制定合理的擠壓頭端的工藝廢品長(zhǎng)度。

在做脹裂實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果裂紋沿?cái)D壓方向或近似擠壓方向直線擴(kuò)展，斷口呈現(xiàn)舌狀或拋物狀，且斷口呈明顯脆性斷裂特征，如圖2(a)所示。在型材做完脹裂實(shí)驗(yàn)的相反一端做NaOH堿洗實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了橫向焊合，如圖2(b)所示，且脹裂實(shí)驗(yàn)的裂紋延伸線基本與橫向焊合位置一致，可以確定脹裂不合格原因是橫向焊合造成的。有時(shí)候縱向焊合不良引起的脹裂不合格的斷口與橫向焊合引起的脹裂不合格的斷面，在位置和形貌都很相似，需要通過NaOH溶液堿洗脹裂不合格樣判斷不合格的原因。

圖2 脹裂實(shí)驗(yàn)后斷裂特征(a)和對(duì)應(yīng)型材NaOH堿洗斷面(b)

非空心鋁型材的橫向焊合由于無法通過脹裂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，只能依靠NaOH溶液堿洗型材確認(rèn)，如圖3所示。在擠壓生產(chǎn)中,經(jīng)常采用錠接錠連續(xù)擠壓來提高生產(chǎn)效率和成品率。生產(chǎn)中，新的鑄錠在擠壓筒或焊合室中連接到舊鑄錠的后表面上，形成焊合界面。隨著擠壓過程的進(jìn)行，這種焊合界面會(huì)延伸到擠出型材中，即形成另一種形式的橫向焊縫。這種橫向焊合由于新舊坯料接觸面有更多的雜質(zhì)，不僅NaOH堿洗后的橫向焊合線是縫隙，甚至雜質(zhì)擴(kuò)展到了橫向焊合線周圍的基體，所以這種橫向焊合線周圍的基體也會(huì)有更多的比較大的孔洞，如圖3(b)所示。而上一根錠與模腔鋁形成的橫向焊合線，如圖3(a)所示，基體相對(duì)光潔很多，周圍零星分布一些小的孔洞，是由于個(gè)別粗大第二相腐蝕脫落所致。

圖3 平模生產(chǎn)的型材NaOH堿洗后：(a)上一根錠與模腔鋁擠壓生產(chǎn)形成的橫向焊合線；(b)錠接錠擠壓生產(chǎn)形成的橫向焊合線

2.3 堿洗在確認(rèn)鋁型材復(fù)合焊合線中的應(yīng)用

某些型材在堿洗后發(fā)現(xiàn)，在橫向焊合長(zhǎng)度末端，有的會(huì)出現(xiàn)兩條橫向焊合的邊緣會(huì)與縱向焊合形成一個(gè)特殊的形似”三角形”的復(fù)合焊合區(qū)，如圖4所示。這種復(fù)合焊合區(qū)大大延長(zhǎng)了工藝廢品的長(zhǎng)度。這種情況主要與模橋下方的死區(qū)太大有關(guān)[5]，擠壓過程中被慢慢帶出，形成一個(gè)較長(zhǎng)的復(fù)合焊合區(qū)域。模橋下方的死區(qū)越大，金屬越難被帶出，形成“三角區(qū)域”的底端。模橋下方的死區(qū)較小，金屬相對(duì)容易被帶走，形成“三角區(qū)域”的尖?？梢詢?yōu)化模橋下方的結(jié)構(gòu)，使橋下方的金屬鋁快速被“沖刷”走，從而減少這種復(fù)合焊合區(qū)域的長(zhǎng)度。且無論是縱向焊合不良，還是橫向焊合不良，斷口位置都集中在這種復(fù)合焊合區(qū)域。通過NaOH堿洗脹裂不合格樣，可以快速判斷具體不合格的原因。

圖4 NaOH堿洗后低倍組織特征

2.4 堿洗在判定壓余長(zhǎng)度是否合格的應(yīng)用

根據(jù)模擬軟件模擬分析壓余的金屬流向[6]，鑄棒表皮的金屬有向模具中心流動(dòng)的趨勢(shì)。堿洗后，合格壓余如圖5(a)所示，壓余的剖面圖內(nèi)，雜質(zhì)（即氧化皮、偏析物、潤(rùn)滑劑以及其它污染物的統(tǒng)稱），分布在兩條弧線及弧線周圍，兩條弧線的交點(diǎn)即是雜質(zhì)的前沿，如果可以觀察到，說明雜質(zhì)留在了壓余內(nèi)，沒有進(jìn)入模腔鋁。反之，圖5(b)所示兩條雜質(zhì)的弧線未相交，靠近模腔鋁的一側(cè)，雜質(zhì)紋路依然清楚可見，表明雜質(zhì)進(jìn)入了模腔內(nèi)，也就是形成了“縮尾”。有后續(xù)陽極氧化的型材，由于雜質(zhì)與基體的耐腐蝕性以及氧化特性不一樣，導(dǎo)致氧化后表現(xiàn)出與基體顏色不同的色差。

圖5 NaOH堿洗后合格壓余端面形貌(a)和不合格壓余端面形貌(b)

有文獻(xiàn)模擬分析[6]雜質(zhì)進(jìn)入模腔鋁后，再擠壓下一根鑄棒時(shí)，雜質(zhì)會(huì)分布在橫向焊合線周圍。這些雜質(zhì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能。尤其一些薄壁型材在陽極氧化后，由于雜質(zhì)的存在，會(huì)在型材對(duì)應(yīng)的橫向焊合區(qū)表面形成一條漸變的色帶。

2.5 堿洗在判斷模腔鋁焊合質(zhì)量和金屬流動(dòng)的應(yīng)用

擠壓完成后，需要用NaOH堿洗的方式把模腔內(nèi)的殘鋁洗掉，然后再進(jìn)行修模和氮化等工作。另一種利用方式是，NaOH堿洗帶有模腔鋁的模具一段時(shí)間后，把模腔鋁拿出。結(jié)合型材斷面的堿洗，可以觀察模腔鋁內(nèi)縱向焊合線的位置是否偏離設(shè)計(jì)位置，如圖6所示，紅圈內(nèi)為縱向焊合線的形貌。正常的縱向焊合線應(yīng)該在設(shè)定位置，且焊合線平直，呈弧形的縱向焊合線往往與型材擠出扭擰相對(duì)應(yīng)。 某些型材在擠壓完成后還要噴砂（或噴丸），再進(jìn)行陽極氧化，如果焊合線偏離拐角位置或裝飾線位置，就有很大可能表現(xiàn)出與基體不一樣的顏色，導(dǎo)致色差的出現(xiàn)。

圖6 模腔鋁內(nèi)縱向焊合線的形貌

通過NaOH堿洗模腔鋁，可以相對(duì)判斷模具流速是否合理。如果根據(jù)壓余堿洗的結(jié)果能夠判斷雜質(zhì)未進(jìn)入模腔鋁，但模腔鋁內(nèi)的單個(gè)分流孔的鋁表現(xiàn)出了金屬分層效果，如圖7(a)和(b)的紅色圓圈內(nèi)所示，形式上與縱向焊合線的形貌類似，但位置卻不在模橋下。當(dāng)模具的設(shè)計(jì)不合理或擠壓速度相對(duì)較快時(shí)，導(dǎo)致本來是一股金屬變成了多股金屬，嚴(yán)重時(shí)，有可能造成本該不存在縱向焊合的位置，出現(xiàn)類似縱向焊合不良的脹裂不合格，或陽極氧化后型材表面出現(xiàn)線條色差。

圖7 同一分流孔內(nèi)兩股金屬的分界線，視角(a)和視角(b)

3 結(jié)語

NaOH溶液的堿洗，在鋁合金擠壓中的應(yīng)用很普遍。其主要原理：即無論內(nèi)部缺陷、內(nèi)部雜質(zhì)、縱向焊合、橫向焊合，還是流速差造成的界面，都與鋁合金基體抗NaOH溶液腐蝕的能力存在差異，從而表現(xiàn)出不一樣的形貌特征。一般情況下，重量越大，表面積越大，堿洗時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

通過堿洗擠壓型材的前端截面可以判定橫向焊合長(zhǎng)度，從而確定工藝廢品，如果橫向焊合長(zhǎng)度特別長(zhǎng)，可以通過觀測(cè)橫向焊合的形貌特征，從模具角度做出改善措施；通過堿洗擠壓型材的截面，可以確定縱向焊合的位置，以及焊合質(zhì)量。在確定脹裂不合格的情況下，通過堿洗脹裂樣的相反一端，可以輔助判斷空心型材脹裂實(shí)驗(yàn)不合格的原因。實(shí)際上，很多擠壓型材廠都同時(shí)采用脹裂實(shí)驗(yàn)和NaOH溶液的堿洗的方式共同判定鋁型材是否焊合不良。通過堿洗壓余剖面可以判定壓余長(zhǎng)度是否合理。

通過堿洗壓余、部分模腔鋁和型材相結(jié)合，可以輔助判定模具的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)是否合理，流速是否異常，可以為后續(xù)優(yōu)化模具提供方向。