淺談擠壓速度對鋁合金型材擠壓的影響

陳錫廣

（南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

鋁是一種產(chǎn)量最大的有色金屬，密度低、延性好，應(yīng)用廣泛的戰(zhàn)略物資。在200MPa以下的強度要求領(lǐng)域可以直接用純鋁材料，但為擴大應(yīng)用領(lǐng)域需要提高強度和綜合性能要求，在純鋁中添加其他金屬元素稱為鋁合金。經(jīng)常加入純鋁中的合金金屬元素有鎂、銅、硅、鋅、錳等，和純鋁相比具有高強度、耐腐蝕、加工性好，適宜作為各類型的加工材和鑄造件。鋁合金作為國民經(jīng)濟中不可替代的材料，廣泛應(yīng)用于建材、交通、航天航空等民用和軍工領(lǐng)域。采用擠壓工藝方法生產(chǎn)鋁合金型材，在節(jié)約材料和生產(chǎn)效率上都具有很大優(yōu)點，因此在研究和生產(chǎn)領(lǐng)域都受到更多的關(guān)注和運用。

1 鋁合金擠壓成形技術(shù)概述

擠壓成形技術(shù)是對擠壓筒內(nèi)金屬坯料在一定速度施壓下，金屬從特定模孔中流出后能夠得到所需要的尺寸與截面形狀的一種塑性加工技術(shù)，圖1為擠壓成形技術(shù)示意圖。金屬的塑性加工技術(shù)還有軋制、鍛壓等方法，雖然擠壓成形技術(shù)出現(xiàn)要比其他塑性加工技術(shù)要晚，但是有關(guān)擠壓成形技術(shù)記載是在18世紀(jì)末期距今也有200多年的發(fā)展歷史。隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，對鋁合金擠壓成形產(chǎn)品的尺寸范圍擴大化、斷面形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、性能均勻化和越來越高的精度要求，更加促進了擠壓成形技術(shù)迅速發(fā)展。擠壓過程中金屬流動現(xiàn)象具有重要的研究意義，通過計算機技術(shù)實現(xiàn)對擠壓過程中的仿真模擬，可以預(yù)測鋁合金擠壓成形過程中的速度場、溫度場、金屬流動規(guī)律、應(yīng)變場、應(yīng)力場等分布情況提供參考。

圖1 擠壓成形技術(shù)

2 鋁合金擠壓成形過程中的工藝參數(shù)

2.1 擠壓速度

擠壓速度能對鋁合金擠壓成形產(chǎn)品內(nèi)部微觀組織重結(jié)晶百分?jǐn)?shù)和晶粒的位錯角分布、大小、取向等產(chǎn)生極大影響，從而表現(xiàn)出鋁合金產(chǎn)品的物理力學(xué)性能和質(zhì)量方面受到直接影響。擠壓速度過快造成壁厚部位金屬流速的不均勻，致使組織不均勻分布的條紋缺陷。有研究不同擠壓速度對鋁合金型材組織條紋產(chǎn)生的影響規(guī)律表明，擠壓速度如果大于12m/min使鋁合金型材組織條紋缺陷開始變得嚴(yán)重，且在17m/min的擠壓速度時組織條紋缺陷是最明顯的。

2.2 擠壓比

擠壓比也是重要影響因素參數(shù)。擠壓比變大時，由于真應(yīng)變也變大以及變形時的溫度升高，從而對鋁合金擠壓成形組織影響更加復(fù)雜。擠壓比是許多研究學(xué)者的結(jié)論觀點差異較大的一個影響參數(shù)。有些研究結(jié)論是擠壓比增大鋁合金平均晶粒尺寸也會變大，而有些研究結(jié)論是擠壓比增大而其平均晶粒尺寸反而是減小，還有的結(jié)論是擠壓比與鋁合金平均晶粒尺寸關(guān)系在一定擠壓比范圍內(nèi)呈現(xiàn)正相關(guān)，超出這一范圍表現(xiàn)出不受影響。

2.3 擠壓溫度

擠壓溫度是擠壓成形組織、密度分布、織構(gòu)類型、產(chǎn)品性能的很大影響因素。隨著擠壓溫度的升高，會使組織晶粒變大。有研究擠壓溫度對Al-Zn-Mg的鋁合金力學(xué)性能影響，結(jié)果表明隨著擠壓溫度提高，擠壓材料的動態(tài)再結(jié)晶程度升高以及強度變大，但斷裂韌性減低。另外還有研究擠壓溫度的變化在物理性能影響上的高硅鋁合金材料，結(jié)論是伴隨擠壓溫度升高，熱膨脹系數(shù)、材料密度也都增大。

2.4 原始坯料均勻化處理

鋁合金通常是采用半連續(xù)的鑄造法成形，冷卻速度快的原因，鋁合金內(nèi)部不可避免會產(chǎn)生偏析和生成大量不平衡凝固結(jié)晶，使材料塑性變差。因此，原始坯料均勻化處理是必要的工序，均勻化處理的優(yōu)良程度直接影響擠壓產(chǎn)品性能。

3 擠壓速度的影響分析

3.1 擠壓速度影響擠壓力

擠壓力的變化有三個階段：第一階段坯料產(chǎn)生彈性變形使得擠壓力的急劇升高；第二階段擠壓變形的繼續(xù)進行，坯料的流動阻力在進入工作帶中繼續(xù)增大并達到最大值；第三階段坯料流出工作帶，伴隨著擠壓力的開始下降逐漸保持在一個較穩(wěn)定的值。擠壓力隨著擠壓速度的增大而增大。例如7050鋁合金，在擠壓速度是15mm/min時擠壓力為1000.3N，擠壓速度加到75mm/min后擠壓力達到1145.8N，因為擠壓變形過程中擠壓速度的提高時，金屬的硬化速度比軟化速度要快，造成變形抗力增大，最終導(dǎo)致擠壓力是隨著擠壓速度的增大而升高。

3.2 擠壓速度影響應(yīng)變場、平均晶粒大小分布、溫度場

通過數(shù)值模擬技術(shù)與實驗相結(jié)合的方式，分析擠壓過程中的應(yīng)變場、平均晶粒大小分布、溫度場各場量規(guī)律。應(yīng)變場方面，當(dāng)擠壓速度在15mm/min時等效應(yīng)變分布是最不均勻的，而當(dāng)擠壓速度的不斷提高等效應(yīng)變分布呈現(xiàn)出逐漸均勻，速度在45mm/min時等效應(yīng)變分布呈現(xiàn)最均勻，這也能夠說明45mm/min晶粒細化效果是理想的。平均晶粒大小分布方面的影響，鋁合金的動態(tài)再結(jié)晶通常是在應(yīng)變大于其極限應(yīng)變時發(fā)生，再結(jié)晶的過程中因為擠壓速度的不同會使平均晶粒大小分布的均勻性受到影響。影響溫度場方面，在擠壓過程中由于坯料產(chǎn)生劇烈變形而產(chǎn)生大量的變形熱，溫度是逐漸升高的，坯料最高溫度都是出現(xiàn)在棒料成形前段部位在這部位的材料變形最嚴(yán)重，坯料與模具摩擦也最嚴(yán)重而產(chǎn)生大量的熱量，因此溫度是最高。如圖2所示是不同擠壓速度的坯料最高溫度關(guān)系，隨著擠壓速度的增加，鋁合金變形劇烈程度、擠壓力增加，造成摩擦熱的增加，使溫度升高。

圖2 不同擠壓速度的坯料最高溫度關(guān)系

3.3 擠壓速度影響組織演變

擠壓后通過觀察鋁合金斷面的顯微組織發(fā)現(xiàn)，主要由等軸晶粒組成且晶粒內(nèi)部還出現(xiàn)比較多亞晶界，在隨著擠壓速度逐漸增大過程中晶粒內(nèi)部亞晶界數(shù)量呈現(xiàn)出先增后減的特征，這是由于鋁合金在變形的過程中層錯能比較高使晶粒發(fā)生了動態(tài)反復(fù)產(chǎn)生的。擠壓速度的增大，變形鋁合金產(chǎn)生的動能隨著增大，鋁合金材料和模具間摩擦力變大，模具工作帶出料口處金屬溫度急劇攀升，這將更有利于晶粒的二次長大，從而導(dǎo)致晶粒尺寸變大。

3.4 擠壓速度影響產(chǎn)品硬度

對于鋁合金的沉淀強化、固溶強化、位錯強化以及細晶強化都是影響鋁合金微觀拉伸性能和硬度的重要因素。在擠壓速度的逐漸增大，變形后鋁合金的顯微硬度也是先增后減，在擠壓速度為45mm/min的時候，縱、橫斷面的顯微硬度值均達了最大值，分別是111.8HV、95.6HV；反而在擠壓速度提高到75mm/min時，縱、橫斷面的顯微硬度值是最小的，分別為94.2HV和83.9HV。從擠壓鋁合金橫截面來分析，在不同速度擠壓變形后的鋁合金，其平均晶粒尺寸是減小的，隨著擠壓速度進一步提高，平均晶粒尺寸先減后增，而鋁合金變形抗力增大，鋁合金的硬度升高。從這里也得出一個規(guī)律，擠出鋁合金橫斷面硬度和平均晶粒尺寸變化規(guī)律趨同，更進一步證明了鋁合金組織平均晶粒尺寸與分布是影響材料顯微硬度值的。

4 結(jié)語

綜上所述，擠壓速度對鋁合金型材擠壓成形的影響是多方面的，如影響擠壓力，應(yīng)變場、平均晶粒大小分布、溫度場，鋁合金成形組織演變，產(chǎn)品硬度等方面。在現(xiàn)代裝備高效、節(jié)能、環(huán)保發(fā)展趨勢下，通過提高擠壓速度控制的精度影響鋁合金擠壓成形性能因素，既可以提高鋁合金生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，又能達到高效節(jié)能的經(jīng)濟效益。