薄壁鋁型材擠壓過(guò)程的金屬流動(dòng)特性分析＊

黃雪梅 盤德文 林雅芳 羅藝茹 鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510550）

隨著經(jīng)濟(jì)高速穩(wěn)定地發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，鋁合金材料的研究和開發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，鋁合金材料得到了更加廣泛的應(yīng)用，鋁合金型材逐漸向著尺寸大型化、形狀更加復(fù)雜化、斷面逐漸薄壁化和尺寸精密化的方向發(fā)展。在材料和工藝手段取得突破的前提下，鋁型材的力學(xué)性能得到了極大的提高，這也為型材薄壁化創(chuàng)造了可靠的條件。但型材薄壁化帶來(lái)了不少新的課題和問(wèn)題，最直接的表現(xiàn)為擠壓變形程度增加、擠壓的難度增大和擠壓力的升高，這些都對(duì)擠壓成型和模具造成不利的影響。

薄壁型材相比較大壁厚及形狀的型材有著兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：其一是它重量輕，減小了零件的總重量；其二是由于擠壓材料較少而減小了成本。然而，往往由于成型困難導(dǎo)致這兩大優(yōu)點(diǎn)被否定。因此，廣大專家學(xué)者對(duì)型材薄壁化的擠壓狀態(tài)、擠壓工藝及模具方面進(jìn)行了深入廣泛的研究。阮祥明等人對(duì)薄壁空心型材擠壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并以某薄壁空心型材作為研究對(duì)象，基于塑性成形理論進(jìn)行擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬的結(jié)果顯示，在焊合室中設(shè)置阻流塊并調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸可平衡擠壓時(shí)型材的流動(dòng)速度分布[1]。陳浩等人采用基于ALE算法的Hyperxtrude軟件針對(duì)某一復(fù)雜薄壁空心型材的擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模具型腔內(nèi)材料的流動(dòng)規(guī)律及成形機(jī)理，提出在下模開設(shè)二級(jí)焊合室和增設(shè)阻流坎兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可有效解決模具設(shè)計(jì)速度分布不均的問(wèn)題[2]。賀建敏針對(duì)型材薄壁化的模具壽命提出了相關(guān)的措施，包括提高鑄錠的質(zhì)量和增設(shè)模具的氮化工藝等[3]。冉孟春等人針對(duì)薄壁六邊形鋁型材進(jìn)行擠壓成形仿真及試驗(yàn)，提出通過(guò)調(diào)整六邊形薄壁型材的結(jié)構(gòu)、擠壓工藝參數(shù)和工作帶長(zhǎng)度的方法來(lái)提高型材的質(zhì)量[4]。劉超提出采用FEM與FVM復(fù)合模擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩種模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信息繼承，并將這種復(fù)合模擬技術(shù)應(yīng)用于薄壁類鋁型材擠壓成形模擬，并認(rèn)為是一種好的方法[5]。李大永等人針對(duì)薄壁門窗型材，提出了有限體積分步模擬方法，認(rèn)為該方法的模擬精度高，可以很好地解決大尺寸薄壁型材制品擠壓成形的數(shù)值模擬問(wèn)題[6]。程磊等人以典型的多孔薄壁口琴管型材為研究對(duì)象，對(duì)分流組合模在擠壓過(guò)程中的應(yīng)力及彈性變形進(jìn)行了分析，他們的試驗(yàn)結(jié)果表明，分流模上模的應(yīng)力分布極不均勻，模芯根部有明顯的應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋，使模具過(guò)早失效，模芯和?？撞课坏膹椥宰冃螘?huì)使擠出的型材制品尺寸產(chǎn)生偏差，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮尺寸補(bǔ)償[7]。本文將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)薄壁型材的金屬流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試和分析，得出影響薄壁型材擠壓及其質(zhì)量的因素。

1 薄壁型材擠壓的概念

薄壁型材擠壓過(guò)程中的塑性變形十分復(fù)雜[8]。一方面，大的擠壓比或擠壓溫度低都會(huì)造成擠壓力過(guò)大；另一方面，在擠壓溫度高的條件下，擠壓過(guò)程又將會(huì)受擠壓表面缺陷的限制[9]。目前在我國(guó)對(duì)鋁型材壁厚的厚薄并沒有明確的定義或臨界劃分，在相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，只有對(duì)建筑鋁型材的壁厚有明確規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)要求其名義壁厚不應(yīng)小于1.2 mm。因此，基于標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到壁厚尺寸公差，行業(yè)中通常認(rèn)為，當(dāng)壁厚小于1.0 mm時(shí)，就認(rèn)為是薄壁。由于型材壁厚的減小，會(huì)使薄壁型材的擠壓性會(huì)受到尺寸穩(wěn)定性的影響，而因?yàn)閿D壓中要嚴(yán)格控制型材的尺寸，所以當(dāng)產(chǎn)品的壁厚小于0.6 mm時(shí)，實(shí)踐表明，其尺寸變化將超過(guò)10%。而近年來(lái)，企業(yè)為了降低成本，在材料及工藝允許的條件期望獲得的最小壁厚卻在不斷地減小。

薄壁型材牽涉復(fù)雜的金屬流動(dòng)，特別是金屬在模孔的流動(dòng)狀態(tài)。由于不均勻的摩擦力和工藝條件致使盛錠筒和模具腔中的金屬存在流速的不均勻[10]，不同的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)使得金屬流動(dòng)不均勻。正常擠壓時(shí)型材必須以均勻的速度通過(guò)模孔，但超薄零件的特點(diǎn)是不穩(wěn)定，金屬在型材的某些部位會(huì)比另一些部位更容易出現(xiàn)流速快的現(xiàn)象。幾何尺寸的限制常常由最小厚度與寬度之比來(lái)決定。然而，對(duì)于復(fù)雜形狀的型材卻不能準(zhǔn)確的判斷。因此，型材的斷面周長(zhǎng)與斷面面積之比（也稱為形狀系數(shù)，用C表示）被認(rèn)為是更好的方式。C值越大的型材因?yàn)槟Σ量沽Φ脑驅(qū)⒑茈y擠壓[11]。

由此可見，擠壓過(guò)程和擠壓工藝對(duì)產(chǎn)品的最終性能有很大的影響。因此，為了優(yōu)化工藝條件，就有必要弄清楚在模具變形區(qū)域內(nèi)金屬?gòu)?fù)雜的變形機(jī)制。因此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)金屬流動(dòng)的測(cè)試以得出影響薄壁型材擠壓成形和產(chǎn)品性能的因素，供行業(yè)參考。

2 實(shí)驗(yàn)的目的與方法

為了對(duì)產(chǎn)品的晶粒結(jié)構(gòu)和方向進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)從大尺寸、中尺寸和微尺寸產(chǎn)品3個(gè)方面進(jìn)行。采用從寬到窄的方法研究金屬的流動(dòng)方式與狀態(tài)。在對(duì)大尺寸和中尺寸實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)圖像來(lái)檢查金屬的流動(dòng)線和記錄金屬的流動(dòng)方向，測(cè)量擠壓方向上的晶粒角度。而中尺寸和微尺寸的實(shí)驗(yàn)主要是為了顯示單個(gè)晶粒和晶體的取向。

為了確保發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)引起的變化，用3個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品在不同的條件下進(jìn)行擠壓后分析。因?yàn)榻饘俚牧鲃?dòng)決定了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，是擠壓中的十分重要的因素。它也直接關(guān)系到制品的微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中所有的樣品的3個(gè)尺寸用光學(xué)顯微鏡（OM）進(jìn)行觀察。而在薄壁型材在擠壓過(guò)程，由于較大的變形會(huì)形成細(xì)小的晶粒，則用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，并沿不同變形的路徑的區(qū)域選擇樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)所用的鋁棒為6063合金，其主要的化學(xué)成分如表1 所示。樣品在 12.5 MN（1 250 t）的擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，鋁棒溫度為500～510 ℃，采用單孔模具和直徑為150 mm的鋁棒進(jìn)行擠壓。圖1為實(shí)驗(yàn)型材的斷面圖，圖中對(duì)特定的型材部位進(jìn)行了各種術(shù)語(yǔ)的定義。其中，薄壁部位的厚度為h，因?yàn)樾璺謩e對(duì)3個(gè)不同薄壁尺寸的型材進(jìn)行研究，3個(gè)薄壁尺寸的厚度分別為 0.6 mm、0.8 mm 和 1.0 mm。

圖1 型材斷面圖

表1 實(shí)驗(yàn)用6063鋁合金化學(xué)成分

在擠壓實(shí)驗(yàn)中，3種不同薄壁的型材，由于斷面的變化，其出口速度也是變化的；同時(shí)，在擠壓過(guò)程中，最大和最小的擠壓負(fù)荷也是不同的，這些擠壓數(shù)值如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品編號(hào)和其對(duì)應(yīng)的擠壓力及擠壓速度

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表，根據(jù)上述產(chǎn)品編號(hào)，從薄壁產(chǎn)品中各選取1個(gè)典型樣品進(jìn)行，選取壁厚分別為 0.8 mm、0.6 mm 和 1.0 mm 的 2#、6#和 10#。這3個(gè)產(chǎn)品的薄壁段壁厚差為0.2 mm，為了更好地驗(yàn)證擠壓速度的影響，選取薄壁段最大和最小壁厚的產(chǎn)品進(jìn)行分析，即選取6#和10#，而選取2#產(chǎn)品進(jìn)行腐蝕后的宏觀組織觀察。方法是將部分?jǐn)D壓坯料劃分為4個(gè)區(qū)域，并進(jìn)行縱向表面宏觀腐蝕的觀察。然后定義樣品的方向，擠壓方面為X軸[100]，橫向?qū)挾确较蚨閅軸[010]，擠壓品的厚度為Z軸[001]，Z軸定義為法線方向。樣品的方向和其1/4坯片的關(guān)系如圖2所示。

為了進(jìn)行顯微檢查將模具中靠近孔位的金屬移出。圖2中虛線框?yàn)闃悠啡〕鑫恢?，取XY和YZ兩個(gè)垂直平面進(jìn)行測(cè)試，將樣品通過(guò)傳統(tǒng)的金相方法制備。在試制中進(jìn)行電解腐蝕之前用0.05 μm的SiO2拋光劑進(jìn)行拋光。該蝕刻劑可在偏振光下有效透出晶粒結(jié)構(gòu)。

圖2 微樣品取樣示意圖

疊加網(wǎng)格在樣品以便OM圖像可以采取在特定的位置。腐蝕后，金屬流線清晰可見，可記錄下晶粒與軸向的角度，朝向中心軸的晶粒指定為正角度，這包括靠近坯料表面的材料，這樣靠近鋁坯的中心金屬的流動(dòng)實(shí)際上就形成負(fù)角度。材料的流動(dòng)偏離中心軸，目的是為了材料較厚部分?jǐn)嗝娴某尚汀?/p>

其中晶粒取向平行于擠出方向上的位置稱為中性線。盡管晶粒的精確位置取決于工藝條件，但這些晶粒一般都在厚的部分坯料的區(qū)域中。通過(guò)近似角度相同的微觀組織采用等高圖的方式作圖，可表明金屬流動(dòng)方向?yàn)榕髁衔恢玫暮瘮?shù)。

4 結(jié)果分析

如圖3所示為部分?jǐn)D壓坯料的金屬流動(dòng)。圖中通過(guò)各區(qū)域?qū)Ωg的不同反應(yīng)使得幾個(gè)宏觀結(jié)構(gòu)區(qū)域是顯而易見的。在各個(gè)邊界上畫上白色虛線，區(qū)域Ⅰ為對(duì)模具面的死區(qū)金屬（DMZ），在這個(gè)區(qū)域中的材料具有非常有限的流動(dòng)性。區(qū)域Ⅱ是剪切密集區(qū)（SIZ）。鋁坯的近表面的金屬流過(guò)死區(qū)的外沿和Ⅲ區(qū)域的內(nèi)部，當(dāng)一小部分金屬流入模孔形成擠壓材的外表面時(shí)，大部分金屬被模具面所阻擋。區(qū)域Ⅳa為即將流入?？椎闹饕尚蛥^(qū)（MDZ）。這3個(gè)區(qū)域在以前的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)進(jìn)行過(guò)了研究。

圖3 樣品2腐蝕后的5個(gè)宏觀組織區(qū)域

區(qū)域Ⅲ是介于剪切區(qū)和成型區(qū)的過(guò)渡區(qū)，其腐蝕后的形貌不同于其他區(qū)域。這些晶粒高度變形，可以歸類為剪切密集區(qū)。這部分金屬并不會(huì)直接流入?？?，在它形成厚型材部分之前被剪切。為了區(qū)分區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的微觀結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步的顯微檢查。

區(qū)域Ⅳb為成型區(qū)的一部分，它顯示為一個(gè)稍微不同的灰度。雖然這些晶粒將立即進(jìn)入?？?，但這些金屬的流向是向著鋁棒的表面而不是向希望的平行于擠壓方向流動(dòng)。因?yàn)榻饘傩枰鲃?dòng)填充較低的S/V區(qū)域，其呈負(fù)角的方式流動(dòng)。為了清楚晶粒的流向，對(duì)顯微樣品進(jìn)行腐蝕后觀察晶粒邊界。

圖4顯示為Ⅲ區(qū)域腐蝕后的微觀組織結(jié)構(gòu)。晶粒通過(guò)暗色邊界可顯示出，金屬化合物AlFeSi通過(guò)成分分析可得出并確定。圖4中的金屬?gòu)挠蚁路搅飨蜃笊戏?，這些晶粒流向心部位置，并與擠壓方向呈直角。

圖4 樣品2腐蝕后過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)

為了獲得中間層面的晶粒流動(dòng)，采用圖像連續(xù)記錄并合在一起，樣品6和10的圖像合成后分別如圖5和圖6所示。這些圖顯示了明顯的差異，區(qū)域Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ清晰可見，圖6顯示晶粒在成型厚截面前向?？追较虻牧鲃?dòng)。樣品10的金屬流動(dòng)幾乎沿著擠壓方向。

圖5 樣品6的棒坯切片的微觀圖像合成圖

圖6 樣品10的棒坯切片的微觀圖像合成圖

從圖中可以看出，一是在模孔的里面，擠出物的起始包含幾個(gè)大的晶粒，對(duì)于樣品6厚截面的一半位置出現(xiàn)大晶粒而樣品10整個(gè)都有。因?yàn)檩^大的擠壓比，較大變形區(qū)域出現(xiàn)再結(jié)晶并導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。這些再結(jié)晶區(qū)域在擠壓過(guò)程中是動(dòng)態(tài)的擠壓后是靜態(tài)的。二是離?？纵^遠(yuǎn)的金屬變形量較小，晶粒能被清楚的界定。由其外觀可知其長(zhǎng)寬比較小。當(dāng)金屬在模具中流動(dòng)，晶粒會(huì)產(chǎn)生較大變形，它們被拉長(zhǎng)，變得薄而窄。這與晶粒的循環(huán)相一致。大角度晶粒存在著較大的應(yīng)變并擁有超薄顆粒清晰的帶狀組織。樣品10的死區(qū)深度更大。雖然擠壓比較低，擠壓速度占主導(dǎo)地位導(dǎo)致金屬非均勻流動(dòng)。樣品10大截面位置的兩邊晶粒呈較大角度，然而在樣品6中僅在鋁棒的外側(cè)部出現(xiàn)較大的旋轉(zhuǎn)。

在光學(xué)顯微圖像中如圖4所示，AlFeSi金屬間化合物被用來(lái)定義金屬流線。以前以為這部分粒子被封裝于單個(gè)晶粒，并在金屬流動(dòng)中被拉長(zhǎng)。然而，部分區(qū)域的小步長(zhǎng)電子背散射衍射掃描證明這一假設(shè)。很多細(xì)小的等軸晶粒存在于流線之間。從圖7和圖8中可看出，壁厚的增大，金屬流線的彎曲程度將減小，金屬的剛性區(qū)在變小。實(shí)踐中也表明，壁厚的增大，擠壓力將減小，同時(shí)擠壓更平穩(wěn)。

圖7 樣品 6 的金屬流線圖（擠壓速度為 16 m/min）

圖8 樣品 10 的金屬流線圖（擠壓速度為 50 m/min）

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在薄壁型材的擠壓過(guò)程中，在一定的溫度范圍內(nèi)，擠壓速度和壁厚大小是影響金屬流動(dòng)的主要參數(shù)。

（2）金屬進(jìn)入模腔的入口幾何尺寸和以及擠壓的出口速度，是影響金屬流動(dòng)的重要因素。金屬進(jìn)入模腔后，隨著到?？椎木嚯x即流道的長(zhǎng)度增大而擠壓更加平穩(wěn)，流速更易均勻。而擠壓出口速度是控制金屬流動(dòng)的主要因素，速度越快，流速越不均勻。

（3）離?？纵^遠(yuǎn)的金屬變形量較小，晶粒能被清楚的界定；晶粒的長(zhǎng)寬比較小。當(dāng)金屬在模具中流動(dòng)，晶粒會(huì)產(chǎn)生較大變形，它們將被拉長(zhǎng)，變得薄而窄。