7075鋁合金擠壓方棒表面缺陷的產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

韋祖祥，何建賢，周 偉，覃耀霖，王玉文，楊顯芳，莫肇月

（1.廣西南南鋁加工有限公司，南寧 530031；2.廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530031）

0 前言

7075鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，具有良好的機(jī)械性能、耐磨性能以及抗腐蝕性能，是航空航天設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其他要求強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件以及模具制造等工業(yè)領(lǐng)域[1]。7075鋁合金擠壓方棒應(yīng)用范圍較廣，市場需求量較大。但由于7075鋁合金具有較高的變形抗力，塑性變形能力較差，在擠壓加工過程中容易產(chǎn)生多種缺陷，其中以麻面和氣泡尤為常見。此時(shí)對(duì)7075鋁合金擠壓方棒表面進(jìn)行打磨或拉絲雖然可以消除麻面和氣泡，但制品經(jīng)陽極氧化處理后，其打磨處理區(qū)域與正常擠壓原始表面會(huì)有色差產(chǎn)生，造成產(chǎn)品表面質(zhì)量缺陷。因此，為了提高產(chǎn)品表面質(zhì)量，減少廢品的產(chǎn)生，針對(duì)7075鋁合金擠壓方棒表面麻面和氣泡這2種主要缺陷的成因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 麻面產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

1.1 麻面缺陷的形貌

7075鋁合金擠壓方棒麻面屬于擠壓產(chǎn)品的表面缺陷，是指制品表面呈細(xì)小的凹凸不平的連續(xù)片狀、點(diǎn)狀的擦傷、麻點(diǎn)、“金屬豆”等缺陷。當(dāng)這些缺陷在制品表面大面積出現(xiàn)時(shí)，便形成麻面缺陷[2]，如圖1所示。

圖1 7075鋁合金擠壓方棒表面麻面示意圖

1.2 麻面缺陷的產(chǎn)生原因

（1）鑄錠中存在粗大化合物相。高合金化的7075鋁合金材料在熔煉鑄造過程中產(chǎn)生粗大初生化合物相，即使是采用目前使用最多的圓錠熱頂鑄造方法，也無法完全消除。粗大初生相的產(chǎn)生與熔鑄工藝參數(shù)有關(guān)。粗大初生相在經(jīng)過均勻化退火后，仍有部分存在于基體中無法消除[3]。在擠壓過程中，粗大化合物相與擠壓模具工作帶產(chǎn)生劇烈摩擦，由于粗大化合物相與鋁基體的硬度和粘度不同，化合物相與模具工作帶摩擦的部位被擠出模具后，在制品表面便會(huì)出現(xiàn)麻面缺陷，導(dǎo)致表面質(zhì)量明顯降低。

（2）擠壓工藝參數(shù)不合理。7075鋁合金屬于超硬鋁合金，擠壓變形困難。過高的擠壓溫度和擠壓速度會(huì)導(dǎo)致制品表面出現(xiàn)大量麻面，不利于表面質(zhì)量控制；而擠壓溫度過低，則會(huì)增加擠壓難度，甚至無法擠壓出料。擠壓過程中鑄錠與擠壓筒以及金屬鋁與模具工作帶的摩擦都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量將直接傳導(dǎo)至模具、擠壓筒和制品，對(duì)制品表面質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。擠壓筒溫度、模具溫度以及鑄錠溫度過高都會(huì)增加筒內(nèi)壁和工作帶與鋁型材的摩擦，增加了金屬鋁與其他金屬（鐵）的粘性，致使粘鋁大量附著在模具工作帶周圍。隨著粘鋁大量積累，最終被型材帶出并附著在制品表面形成麻面缺陷。

（3）模具工作帶強(qiáng)度不足，模具設(shè)計(jì)不合理。模具工作帶表面硬度一般只能達(dá)到55～60 HRC，模具工作帶硬度不足或粗糙度高會(huì)導(dǎo)致粘鋁增多，設(shè)計(jì)過長也會(huì)增加金屬鋁的摩擦阻力，從而加劇粘鋁的增多。擠壓過程中原本平行的工作帶受到強(qiáng)大壓力而呈喇叭口狀，當(dāng)粘鋁積累到一定程度后被擠壓帶出并粘附在制品表面，從而產(chǎn)生表面麻面缺陷。7075鋁合金擠壓方棒模具R角處附近的鋁流容易受阻，金屬鋁與模具導(dǎo)流腔的接觸面積大，受到的摩擦阻力較大，導(dǎo)致R角處摩擦升溫高，因此麻面常出現(xiàn)在制品R角至距離邊部四分之一的部位。

1.3 預(yù)防麻面的措施

（1）嚴(yán)格控制化學(xué)成分。7075鋁合金的成分設(shè)計(jì)及元素含量配比直接影響材料的鑄錠組織、力學(xué)性能和抗腐蝕性能等指標(biāo)。當(dāng)鑄錠組織中產(chǎn)生粗大初生化合物相時(shí)，擠壓制品表面則會(huì)形成麻面。因此，需要嚴(yán)格控制7075鋁合金中各合金元素的占比，優(yōu)化各元素的含量配比。Fe、Si雜質(zhì)元素的存在對(duì)材料的流塑性、力學(xué)性能等產(chǎn)生不利影響，降低其含量可以有效降低雜質(zhì)相的不利影響；Cu會(huì)降低合金電位差，但適量的Cu能明顯降低由Zn抬高的電位，使點(diǎn)腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚋g，而過量的Cu會(huì)降低材料陽極氧化色澤度，不利于制品的氧化性能；降低Mn含量可有效避免粗大Al6Mn相的形成；Zn與Mg、Al結(jié)合形成強(qiáng)化相η（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3），但是過量的Zn會(huì)增加鑄造開裂傾向；Mg元素除了能形成η、T相外，還能與Si形成Mg2Si相，對(duì)性能提升有利；Cr可抑制再結(jié)晶、細(xì)化鑄造組織晶粒。在合金成分設(shè)計(jì)上，應(yīng)適當(dāng)降低Mn、Cu、Cr元素占比。7075鋁合金擠壓方棒化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 7075鋁合金擠壓方棒的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

（2）合理提高鑄造冷卻強(qiáng)度。在圓錠鑄造過程中，隨著冷卻強(qiáng)度的增加，過冷度增加，鑄錠結(jié)晶速率提高，熔體中的溶質(zhì)元素來不及擴(kuò)散，使晶核增多，因而所得晶粒細(xì)小，同時(shí)過渡帶尺寸縮小，鑄錠致密度提高，減少熔煉鑄造過程易導(dǎo)致產(chǎn)生粗大初生化合物相傾向[3]。但隨著冷卻強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，鑄錠內(nèi)外層溫差較大，鑄錠中的熱應(yīng)力相應(yīng)提高，使鑄錠產(chǎn)生裂紋傾向增大，同時(shí)，冷卻不均造成的鑄錠各部分收縮不一致也會(huì)引起鑄錠開裂，導(dǎo)致鑄造失敗。因此，在避免出現(xiàn)鑄造開裂的情況下，需要探索出合理的鑄造工藝以減少鑄錠中粗大初生化合物的產(chǎn)生。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鑄錠直徑不同，冷卻水量需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)圓鑄錠直徑范圍為380~462 mm時(shí)，每鑄次的鑄錠根數(shù)范圍為14~21根，鑄造冷卻水流量應(yīng)控制在10~18 m3/h；當(dāng)圓鑄錠直徑范圍在463~582 mm時(shí)，每鑄次的鑄錠根數(shù)范圍為4~10根，鑄造冷卻水流量應(yīng)控制在18~25 m3/h，以獲得具有細(xì)小晶粒尺寸的鑄錠。

（3）采用雙級(jí)均勻化熱處理工藝。鑄錠均勻化退火是在高溫狀態(tài)下通過擴(kuò)散方式，消除或減小實(shí)際凝固條件下晶內(nèi)成分不均和偏離于平衡組織狀態(tài)的一種熱處理工藝，其目的是使鑄錠中的不平衡共晶組織在基體中分布均勻，過飽和固溶體元素從固溶體中析出，使鑄錠組織成分更均勻[4]。同時(shí)，消除鑄造應(yīng)力可提高鑄錠塑性，減小變形抗力，從而有助于材料后續(xù)的擠壓加工成型，避免擠壓加工時(shí)因變形抗力過大而導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)麻面。7075鋁合金鑄錠中存在高溫相和低溫相兩種具有不同相變溫度的相組織，應(yīng)采用雙級(jí)均勻化熱處理工藝：第一階段保溫溫度（440±5）℃，保溫時(shí)間2～4 h，使低溫相充分析出，達(dá)到增加鑄錠塑性的效果，有利于后續(xù)的擠壓成型；第二階段保溫溫度（470±5）℃，保溫42～48 h。通過上述雙級(jí)均勻化熱處理后，可充分將鑄錠中的高溫相和低溫相析出，保溫結(jié)束后強(qiáng)風(fēng)冷卻，鑄錠組織中的粗大初生相明顯減少。

（4）合理設(shè)置擠壓工藝參數(shù)。擠壓過程參數(shù)對(duì)制品的表面性能和內(nèi)部組織，包括晶粒尺寸、組織均勻性等都會(huì)有較大的影響，因此必須協(xié)調(diào)各參數(shù)之間的匹配才能穩(wěn)定控制制品質(zhì)量。生產(chǎn)7075鋁合金擠壓方棒時(shí)，推薦工藝參數(shù)如下：鑄錠預(yù)熱溫度380~400℃，溫度梯度10~25℃，擠壓筒溫度400~430℃，擠壓速度0.5~1.0 m/min。實(shí)際的擠壓工藝參數(shù)應(yīng)根據(jù)不同設(shè)備及工況而定。

（5）增強(qiáng)模具工作帶強(qiáng)度，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。對(duì)模具工作帶進(jìn)行氮化處理和激光處理可以使其硬度、耐磨性、摩擦性能大大提高。模具工作帶的強(qiáng)化處理一般有氮化處理、激光處理、激光+氮化處理和氮化+激光處理這4種。這4種工藝處理后的工作帶邊部組織形貌分別如圖2所示。從這4種強(qiáng)化處理結(jié)果來看，第四種處理方式即模具工作帶進(jìn)行氮化+激光處理效果最佳，工作帶表面硬度可達(dá)65～69 HRC，淬硬層深度可達(dá)2.5 mm。而采用前三種方式處理的工作帶硬度僅為55～60 HRC，淬硬層深度僅為0.5～1.0 mm。結(jié)果表明，模具工作帶進(jìn)行氮化+激光處理的效果明顯優(yōu)于前三種強(qiáng)化處理方式。模具工作帶硬度的提高可降低金屬鋁與模具工作帶的摩擦系數(shù)，避免在擠壓生產(chǎn)過程中因摩擦產(chǎn)生高溫而引起型材表面出現(xiàn)麻面。同時(shí)，模具工作帶強(qiáng)度的增加還為工作帶的減短創(chuàng)造了條件。由于工作帶強(qiáng)度得到加強(qiáng)，工作帶在擠壓過程中不易出現(xiàn)彈變現(xiàn)象，可適當(dāng)減短模具工作帶長度，減少摩擦，從而降低金屬鋁在通過模具工作帶時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量。隨著模具工作帶強(qiáng)度的強(qiáng)化及其長度的減短，擠壓制品的表面質(zhì)量和擠壓生產(chǎn)速度得到大大提升。

圖2 四種強(qiáng)化處理后工作帶邊部的組織形貌

模具設(shè)計(jì)方式直接影響到鑄錠在擠壓過程中金屬的流動(dòng)方式以及金屬在模具中流動(dòng)的均勻性。擠壓過程中鑄錠中心部位金屬流動(dòng)速度比邊部的快，因此對(duì)工作帶長度的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮金屬流速問題，適當(dāng)減短模具R角附近的導(dǎo)流槽深度和工作帶長度，減少金屬鋁流的阻力。同時(shí)制品中間部位的工作帶長度要長于邊部，使金屬流速均勻，解決因流速過快導(dǎo)致的局部升溫問題，從而避免麻面產(chǎn)生。

2 氣泡產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

2.1 氣泡缺陷的形貌

局部表皮金屬與基體金屬呈連續(xù)或非連續(xù)分離，表現(xiàn)為圓形單個(gè)或條狀空腔凸起的缺陷，稱為氣泡[2]。7075鋁合金擠壓方棒在擠壓過程中，在棒材表面尤其是R角附近容易出現(xiàn)表面氣泡，通常單個(gè)氣泡直徑較小，氣泡呈連續(xù)長條分布，如圖3所示。

圖3 7075鋁合金擠壓方棒表面氣泡示意圖

2.2 氣泡缺陷產(chǎn)生原因

因鑄錠直徑小于擠壓筒直徑導(dǎo)致擠壓填充階段無法完全排氣時(shí)，氣體會(huì)隨著變形金屬表層沿彈性區(qū)流出從而造成制品表面氣泡缺陷。制品表面氣泡通常是由于鑄錠內(nèi)部組織有疏松、氣孔、內(nèi)裂等缺陷，或擠壓填充階段因擠壓速度太快，排氣不好，將空氣卷入金屬中所造成的。當(dāng)鑄錠長度與鑄錠直徑之比大于4~5時(shí)，填充時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙鼓變形，在擠壓筒的中部產(chǎn)生一個(gè)封閉空間，隨著填充的進(jìn)行，此空間體積減少，氣體壓力增大而進(jìn)入鑄錠表面的微裂紋中，也會(huì)在制品表面形成氣泡[1-2]。

2.3 預(yù)防氣泡缺陷的措施

（1）提高精煉除氣和鑄造水平。熔體的精煉質(zhì)量直接影響到澆鑄后鑄錠的組織質(zhì)量，鋁合金在熔煉過程中易于吸氣和氧化，在熔體中不同程度地存在氣體和非金屬夾雜物，使鑄錠產(chǎn)生疏松、氣孔、夾雜等缺陷。生產(chǎn)中，對(duì)熔煉溫度、熔煉時(shí)間進(jìn)行控制，保證各種原材都已完全溶解、充分混合均勻，熔煉后對(duì)熔體進(jìn)行精煉，去除熔體中的氣體，使熔體氫含量低于0.09 mL/100g?Al，可獲得潔凈均衡的鋁熔體。在隨后的鑄造過程中，適當(dāng)提高鑄造冷卻速率、適當(dāng)降低鑄造速度可減少鑄錠中心疏松傾向。通過提高熔體精煉和鑄造工藝，可提高鑄錠質(zhì)量，從而減少氣泡缺陷。

（2）調(diào)整擠壓工藝參數(shù)。擠壓填充階段，加大鑄錠墩粗壓力，增加排氣次數(shù)：當(dāng)制品表面出現(xiàn)氣泡時(shí)，可適當(dāng)增加2~3次排氣次數(shù)，盡量將擠壓筒內(nèi)殘留氣體完全排出，同時(shí)將擠壓桿速調(diào)至最低，突破后再提速擠壓；選擇長度與直徑之比小于4的鑄錠，避免因鑄錠過長而導(dǎo)致墩粗后呈鼓形；采用梯度加熱法對(duì)鑄錠進(jìn)行加熱，鑄錠頭端溫度380～400℃，溫度梯度10～25℃，使所設(shè)置的鑄錠頭端溫度高于尾部。這樣在擠壓填充時(shí)頭端先變形填充，可將氣體由尾端排出；當(dāng)擠壓筒內(nèi)襯破損嚴(yán)重時(shí)，要及時(shí)更換擠壓筒內(nèi)襯，避免氣體殘留在擠壓筒中破損位置無法排出。通過調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，將殘余氣體及時(shí)排出擠壓筒外，可減少制品表面氣泡缺陷。

3 結(jié)論

通過分析7075鋁合金擠壓方棒的表面麻面和氣泡缺陷產(chǎn)生的原因，提出預(yù)防這兩種缺陷產(chǎn)生的措施。

（1）產(chǎn)生麻面缺陷的主要原因有鑄錠中存在粗大化合物相、擠壓工藝參數(shù)不合理、模具工作帶強(qiáng)度不足、模具設(shè)計(jì)不合理等。

（2）產(chǎn)生氣泡缺陷的主要原因有鑄錠直徑和長度選擇不合理、鑄錠內(nèi)部組織有疏松、氣孔、內(nèi)裂等缺陷。

（3）優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)，控制Cu、Mg、Cr、Zn元素的占比，盡可能減少Fe、Si的元素含量。

（4）提高精煉除氣和鑄造水平，可減少鑄錠疏松、氣孔等缺陷；選擇長度與直徑之比小于4的鑄錠，冷卻水流量控制在10~25 m3/h；對(duì)鑄錠采用雙級(jí)均勻化熱處理工藝，鑄錠保溫結(jié)束后強(qiáng)風(fēng)冷卻。

（5）根據(jù)具體情況調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，鑄錠預(yù)熱溫度380~400℃，溫度梯度10~25℃，擠壓筒溫度400~430℃，擠壓速度0.5~1.0 m/min，增加墩粗壓力和排氣次數(shù)，慢速突破。

（6）優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方式，適當(dāng)減短導(dǎo)流槽深度，對(duì)模具工作帶進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性。