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鋁合金型材的應用及擠壓特點 緒論 鋁合金擠壓型材的分類 一、鋁合金擠壓型材的分類 對鋁合金型材進行科學合理的分類，有利于科學合理地選擇生產工藝和設備，正確地設計與制造工模具以及迅速地處理擠壓車間的專業技術問題和生產管理問題。 1）按照用途或使用特性，鋁合金型材可分為通用型材和專用型材。 專用型材按用途可分為： （1）航天航空用型材：如整體帶筋壁板、工字大梁、機翼大梁、梳狀型材、空心大梁型材等，主要用作飛機、宇宙飛船等航天航空器的受力結構部件以及直升飛機異形空心旋翼大梁和飛機跑道等。 （2）車輛用型材：主要用作高速列車、地鐵列車、輕軌列車、雙層客車、豪華大巴以及貨車等車輛的整體外形結構件和重要受力部件以及裝飾部件。 （3）艦船、兵器用型材：主要用作船舶、艦艇、航空母艦、汽艇、水翼艇的上層結構和甲板、隔板、地板以及坦克、裝甲車、運兵車等的整體外殼、重要受力部件，火箭和中遠程彈的外殼，魚雷、水雷的殼體等。 （4）電子電氣、家用電器、郵電通訊以及空調散熱器用型材：主要用作外殼、散熱部件等。 （5）石油、煤炭、電力等能源工業以及機械制造工業用型材，主要用作管道、支架、礦車架、輸電網、匯流排以及電機外殼和各種機器的受力部件等。 （6）交通運輸、集裝箱、冷藏箱以及公路橋梁用型材：主要用作裝箱板、跳板、集裝箱框架、冷凍型材以及轎車面板等。 （7）民用建筑及農業機械用型材：如民用建筑門窗型材、裝飾件、圍欄以及大型建筑結構件、大型幕墻型材和農用噴灌器械部件等。 （8）其他用途型材：如文體器材、跳水板、家具構件型材等。 2）按形狀與尺寸變化特征，型材可分為恒斷面型材和變斷面型材。 恒斷面型材可分為通用實心型材、空心型材、壁板型材和建筑門窗型材等。變斷面型材分為階段變斷面和漸變斷面型材。 第一章鋁合金擠壓的基本 變形條件和特點 第一節鋁合金擠壓時金屬的流動特性 研究金屬在擠壓時的塑性流動規律是非常重要的，因為它與擠壓制品的組織、性能、表面品質、外形尺寸和形狀精確度以及工模具設計原則、工模具的壽命等有十分密切的關系。金屬的性能、擠壓方法、工藝條件和模具結構等不同，擠壓時金屬的流動景象有很大的差異。用坐標網格法、觀測塑性法、組合試樣法、低倍組織法、光塑法、“莫爾條紋”法以及硬度法等來研究擠壓時的金屬流動景象。鋁合金擠壓生產一般用觀察制品和未擠壓完的鑄錠斷面的低倍組織變化和金屬流線特點來評定金屬的流動景象，圖1-1為擠壓時金屬流動坐標網格變化圖。 一、擠壓時金屬流動的基本階段 擠壓時金屬的流動情況一般可分為三階段。第一階段為開始擠壓階段，又稱為填充擠壓階段。金屬受擠壓軸的壓力后，首先充滿擠壓筒和模孔，擠壓力直線上升直至最大。在臥式擠壓機上采用正擠壓法擠壓時，其填充過程如圖1-2所示。第二階段為基本擠壓階段，也叫平流擠壓階段，見圖1-3。當擠壓力達到突破壓力（高峰壓力），金屬開始從模孔流出瞬間即進入此一階段。一般來說，在此階段中金屬的流動相當于無數同心薄壁圓管的流動，即鑄錠的內外層金屬基本上不發生交錯或反向的紊亂流動，錠坯在同一橫斷面上的金屬質點均以同一速度或保持一定的速度進入變形區壓縮錐。 靠近擠壓墊片和模子角落處的金屬不參與流動而形成難變形的阻滯區或死區，在此階段中擠壓力隨著錠坯的長度減少而下降。第三階段為終了擠壓階段，或稱紊流擠壓階段。在此階段中，隨著擠壓墊片（已進入變形區內）與模子間距離的縮小，迫使變形區內的金屬向著擠壓軸線方向由周圍向中心發生劇烈的橫向流動，同時，兩個死區中的金屬也向模孔流動，形成擠壓加工所特有的“擠壓縮尾”等缺陷，見圖1-4。在此階段中，擠壓力有重新回升的現象。此時應結束擠壓操作過程。圖1-5為鋁材擠壓時不同擠壓階段金屬坐標網格變化示意圖。 二、主要因素對金屬流動特征的影響 1）接觸摩擦與潤滑的影響 擠壓時流動的金屬與工具間存在接觸摩擦力，其中以擠壓筒壁上的摩擦力對金屬流動的影響最大。當擠壓筒內壁上的摩擦力很小時，變形區范圍小且集中模孔附近，金屬流動比較均勻，而當摩擦力很大時，變形區壓縮錐和死區的高度增大，金屬流動則很不均勻，以至促使錠坯外層金屬過早地向中心流動形成較長的縮尾。可見，接觸摩擦力對金屬的流動均勻性起不良的影響。但是，在某些情況下，可以有效地利用金屬與工具之間接觸摩擦和冷卻作用來改善金屬的流動，如在擠壓管材時，由于錠坯中心部分的金屬受到穿孔針摩擦作用和冷卻作用，而使其流速減緩，從而使金屬流動變得較為均勻，減短產生縮尾的長度；在擠壓斷面壁厚變化急劇的復雜異形型材時，在設計模孔時利用不同的工作帶長度對金屬產生不同的摩擦作用來調節型材斷面上各部分的流速，從而減少型材的扭擰、彎曲度、提高產品的精度；近年來發展起來的“有效摩擦擠壓”，則是利用摩擦力作為一種推動力來實現擠壓過程。 2）合金本性的影響 金屬及合金的強度與塑性對流動景象也有很大的影響，一般來說，強度越高，粘性越小；擠壓溫度越低則金屬流動性越均勻。對于同一種金屬或合金來說，其鑄錠在擠壓前加熱條件對金屬流動性也有一定的影響。當錠坯加熱不均勻時會影響其橫斷面上變形抗力的均勻性，從而導致金屬流動不均勻。 3）擠壓方法的影響 一般來說，反向擠壓比正向擠壓流動均勻，潤滑擠壓比不潤滑擠壓流動均勻，冷擠壓比熱擠壓流動均勻，有效摩擦擠壓比其他擠壓方法流動均勻。 4）擠壓工模具的影響 擠壓工模具的結構形狀、表面狀態、模孔排列、加熱溫度對金屬的流動有很大的影響，設法提高金屬流動的均勻性，是設計、制造擠壓工模具的一個十分重要的問題。 （1）工模具結構和形狀的影響 擠壓鋁合金時，最常采用的模子主要有平面模和錐形模。模角越大，則金屬流動越不均勻，用平面模擠壓時，出現變形不均勻性的最大值。同時，隨著模角的增大，死區的高度也逐漸增加。 為了減少非接觸變形，獲得精確形狀和尺寸的產品，在模子壓縮錐到工作帶的過渡處應做成一定的圓角，而且要有一定長度的工作帶。在擠壓斷面形狀復雜和異形材時，為了獲得均勻的流速，調整工作帶的形狀和長度是有益的，這也是設計型材模具的關鍵技術之一。 此外，在擠壓管材和空心型材時，穿孔針的結構和形狀及錐度，舌型模和平面分流組合模的結構、分流孔的大小和形狀、焊合室的形狀和尺寸、寬展模的寬展角、變斷面模子中過渡區的結構和形狀等都對金屬的流動有很大的影響。在設計模子時應特別注意選擇合理的結構和形狀，以獲得較均勻的金屬流動。 擠壓墊片的結構和形狀對金屬的流動也有一定的影響。采用凹形墊片可以稍許增加金屬的流動均勻性，但因擠壓殘料增大，加之也較麻煩，故除了連續擠壓之外，一般用平墊片進行擠壓。 （2）模孔排列的影響 模孔的排列從兩個方面來影響金屬的流動特性。一是距離擠壓筒中心的遠近，接近中心的部分，金屬流動快，而遠離中心的部分由于受到擠壓筒壁摩擦阻力的影響而使金屬流速減慢；二是塑性變形區內供給各模孔或模孔各部分的金屬量的分配。 供應充足的部分流速較快，反之，供應不足的部分則金屬流速減慢。因此，為了增加金屬流動的均勻性，模孔應盡量對稱地布置在模子平面上。在設計多孔模時，各模孔的中心應布置在距離中心某一合適距離的同心圓上。在設計異形材時，應使易流出的厚壁部分遠離中心，而把難于流動的薄壁部分靠近中心。模孔在模子平面上的合理布置，可大大改善各部分金屬流動均勻性，從而減少產品的彎曲、扭擰和各產品的流速差以及每根產品因流速不同而產生表面擦傷。 （3）表面狀態的影響 表面越光潔、過渡越圓滑、表面硬度越高、潤滑條件越好，則擠壓時的金屬流動越均勻。 （4）加熱溫度的影響 在擠壓時，錠坯橫斷面上的溫度越均勻，則擠壓時的流動也越均勻。因此，應盡量減少擠壓筒、擠壓墊片和穿孔針、模子與變形金屬之間的溫度差。在擠壓過程中，擠壓筒加熱保溫、工模具預熱等措施是十分重要的。 （5）其他因素的影響 鑄錠長度、變形程度、擠壓速度等對金屬的流動均勻性也有一定的影響，如鑄錠前端長度為1～1.5D筒的部分，金屬流動極不均勻；變形程度過大或過小時，金屬流動都不均勻；金屬的流速過快，會增大金屬流動的不均勻性等。 根據上面的分析可知，由于各種因素錯綜復雜的影響，使擠壓時金屬的流動特性表現出多種多樣的形式。歸納起來，可分為如圖1-6所示的四種基本類型。類型（a）是反擠壓、靜液擠壓、有效摩擦擠壓時所具有的流動景象，流動最均勻；類型（b）是潤滑擠壓和冷態擠壓時所具有的流動景象，與類型（a）相近，變形區集中在模孔附近，因此，不產生中心縮尾和環形縮尾；類型（c）為由于錠坯內外抗力不同和外摩擦的影響，而使金屬流動不太均勻的景象，由變形區擴展到整個錠坯體積，死區高度比較高，但在基本擠壓階段尚未發生外部金屬向中心流動時的情況，在擠壓后期出現不太長的縮尾；類型（d）為流動最不均勻的景象，在擠壓一開始，外層金屬即向中心區流動，死區高度顯著增加，故產生很長的縮尾。 在一般情況下，純鋁和軟鋁合金的流動景象屬于類型（b），硬鋁合金的流動景象屬于類型（c），而粘性高、擠壓溫度高、導熱性能差的合金的流動景象屬于類型（d）。鋁合金反向擠壓和潤滑擠壓或靜液擠壓時可能獲得（a）型的流動景象。 圖1-6 平模擠壓時金屬的典型流動類型 第二節鋁合金擠壓時的潤滑條件與工藝潤滑劑 在鋁及鋁合金材的擠壓過程中，同樣很需要使用潤滑劑來降低金屬與擠壓筒壁及模子表面之間的摩擦，減少它們之間提粘著與工模具的磨損。 但正如前所述，由于潤滑劑的使用，往往會導致制品表面污染，以及潤滑劑可能流人制品中心，形成更加明顯的“擠壓縮尾”。因此，在鋁及鋁合金棒材的擠壓中，多年來一直采用“無潤滑擠壓”。在管材及空心材擠壓中也只是對模面及穿孔針表面進行潤滑。近年來，世界各國為了能在噸位有限的擠壓機上擠壓大且復雜的硬鋁合金型材，同時也為了提高擠壓速度以及獲得組織性能較均勻的擠壓材，對潤滑擠壓方法進行了較廣泛的研究，并由于在工模具結構、潤滑劑研究方面的突破，使潤滑擠壓法有了很大的發展。 表1-1列出了“無潤滑擠壓”與“潤滑擠壓”鋁合金型棒材時的有關參數比較。由此可見，潤滑擠壓可以較大幅度地降低擠壓力，提高擠壓速度以及提高制品的組織性能。有有人認為，模具表面粘鋁是由于其表面上的三氧化二鐵顆粒層與高溫鋁反應生成三氧化二鋁，進而再由它有效地粘集金屬流中更多的三氧化二鋁形成的。因此，三氧化 從這一角度也可充分說明，在潤滑擠壓時，潤滑涂層具有防止模具與鋁直接接觸、減少工模具表面氧化的作用，從而起到了防粘降摩、提高制品表面品質的作用。 二鋁是引起工模具粘鋁的原因。 為了得到具有高表面品質的制品，在潤滑擠壓時，必須采取如下措施以預防潤滑層的破壞。 ①在潤滑劑成分中加入活性吸附的組分； ②加入在工作溫度范圍內具有高粘度的組分； ③加入有助于保持潤滑膜完整性的細微彌散組分； ④設計合理的工模具結構，避免或減少“死區”的形成。 在鋁及鋁合金熱擠壓時的潤滑劑可分為兩大類，第一類是用于熱擠壓管材和空心型材時涂抹穿孔的潤滑劑；第二類是熱擠壓型材和管材時用于潤滑擠壓筒工作表面和坯料外表面的潤滑劑。 目前在我國的實際生產中，擠壓鋁及鋁合金棒、型材仍在較廣泛地采用無潤滑擠壓法，只是在管材擠壓時，考慮到模子以及穿孔針工作條件異常惡劣，易于粘鋁或損壞，對其表面間或性地涂抹潤滑劑。 第三節鋁合金擠壓時的應力應變狀態 一、擠壓時金屬的應力應變狀態的特點 擠壓時，金屬的應力和變形是十分復雜的，并隨著擠壓方法和工藝條件而變化。簡單的擠壓過程，即單孔平模正擠壓圓棒材時的外力、應力和變形狀態見圖1-7。 擠壓金屬所受外力有：擠壓軸的正壓力P；擠壓筒壁和模孔壁的作用力P′；在金屬與墊片擠壓筒及模孔接觸面上的摩擦力T，其作用方向與金屬的流動方向相反。這些外力的作用解決了擠壓時基本應力狀態是三向壓應力狀態。這種應力狀態對利用和發揮金屬的塑性是極其有利的。軸向壓應力σe、徑向壓應力σr 、周向或環形壓應力σθ如圖1-7 圖1-7擠壓時的外力、應力和變形狀態圖 擠壓時的變形狀態為：一維延伸變形，即軸向變形εe ；二維壓縮變形，即徑向變形εr ，及周向變形εθ。 擠壓過程是軸對稱問題，所以σr = σθ ，εr = εθ 。為了說明金屬的變化情況，分析其應力分布如圖1-8所示。在擠壓過程中，由于模孔的存在，金屬內部的應力狀態可分為對著模孔的區域Ⅰ和在Ⅰ區周圍的區域Ⅱ。在Ⅰ區的應力分布是∣ σe ∣＜ ∣ σr ∣=∣ σθ ∣ 。在Ⅱ區內則∣ σe ∣ ＞ ∣ σr ∣=∣ σθ ∣在中心線上部與下部分別表示Ⅰ區的σr及σe的分布。在Ⅱ區的σe及σr ，相應表示在上、下兩周邊線上。 σe及σr ，在橫斷面的分布是中心部分小而靠周邊部分大。 圖1-7應力分布示意圖 二、變形不均勻性與殘余應力 如果擠壓制品在擠壓過程結束以后不經受外力作用的話，那么，變形狀態的不均勻性是產生殘余應力的基本原因。由于塑性變形區各部分的溫度不均，在擠壓制品中也會產生殘余應力。但是，因為這種溫度的不均勻性比較小，所以，由此而產生的殘余應力值也不大。因此可以認為，擠壓制品從塑性變形區流出瞬間的應力狀態主要取決于因變形不均所引起的殘余應力。 在大多數擠壓過程中，周邊層的主拉伸變形要比中心層大。因此，周邊層的拉伸彈性變形大于中心層的拉伸彈性變形。按照內力相互平衡的條件，這就會導致周邊層為完全消除彈性變形而產生的收縮要小一些。而中心層為完全消除彈性變形而產生的收縮要大一些。結果，從模孔中流出來的擠壓制品內，中心層產生了縱向壓縮應力，而其周邊層則產生殘余拉伸應力。在擠壓（未進行隨后加工）的圓棒中，縱向殘余應力的分布特征如圖1-8（a）所示。 應該注意到，在擠壓型材時，其各部分流動速度的不均勻 性是產生殘余應力的另一個原因。這些殘余應力被型材各個部分的相互作用力所平衡，因而可能改變上述縱向殘余應力的分布圖形。實踐經驗證明，棒材從塑性變形區流出以后，由于彈性變形的緣故，其徑向尺寸稍有增加。由于徑向尺寸的這種增加，勢必對各同心環層之間造成一種徑向壓縮應力，這種應力狀態正如同一組承受有內、外壓力逐漸降低為零的同心管中的應力狀態一樣。圖1-8（b）為徑向應力的分布示意圖。由于應力呈對稱分布，所以，盡管都為負號，但彼此之間仍可得到平衡。兩個已示出的縱向和徑向殘余應力分布圖形，確定了圓周應力圖的分布形式，如圖1-8（c）所示。圖中示出了外周環形層的橫向拉伸力和中心層的橫向壓縮力的分布。實際上，由于產生了徑向壓縮應力，在外周環形層中的橫向應力只能是拉伸應力，因此，為了平衡各層之間的應力，內環形層中心的橫向應力必須是壓縮應力。 圖1-8擠壓棒材中殘余應力的分布示意圖 （a）縱向；（b）徑向；（c）切向 熱擠壓時，由于擠壓制品的隨后冷卻，往往會改變上述的應力狀態，這種改變有時是十分明顯的。例如，當緩慢的冷卻時，常可導致類似于進行低溫退火時的結果，即可能使殘余應力幾乎完全消除。在比表面積不大的型材中，由于熱慣性大，出現這種緩慢冷卻形式的可能性就較大。 在擠壓大直徑棒材和厚壁型材時，除了因組織轉變所引起的應力狀態的改變外，由于周邊層和中心層冷卻的不均，也可能產生新的殘余應力。 周邊層的快速冷卻，起初會導致周邊層的收縮和縱向拉伸應力的增加，而后，由于內層熱量的影響，這種應力可能會消失。然后，內層金屬由于受到冷卻而產生收縮，從而在周邊層引起縱向壓縮應力，在內層則引起拉伸應力。同時，也可能出現圓周應力。 在這里，應該注意到直徑（或壁厚）的影響。顯然，直徑（或壁厚）越小，熱慣性就越小，縱向層的溫度就均衡得越快，出現溫度殘余應力的可能性就越小。在不對稱變形的條件下，由于出現了一種不對稱型的殘余應力，所以，增大了總的殘余應力值。 不對稱型殘余應力的直接結果是使擠壓制品產生翹曲。在溫度不均勻的條件下，也可能產生不對稱型殘余應力。當擠壓已變涼了的管才時，由于冷管包住了熱針，所以，會產生更大的應力。這種應力可能在管材上引起縱向裂紋。因此，減少變形區中的變形和溫度場的不均勻性具有十分重大的意義。 第四節鋁合金擠壓制品的組織與性能 一、鋁合金擠壓制品的組織 （一）擠壓制品組織不均勻性 就實際生產中廣泛采用的普通熱擠壓而言，擠壓制品的組織與其他加工方法（例如軋制、鍛造）相比，其特點是在制品的斷面與長度方向上都不均勻，一般是頭部晶粒很大，尾部晶粒細小；中心晶粒粗大，外層晶粒細小（熱處理后產生粗晶環的制品除外）。 但是，在擠壓鋁和軟鋁合金一類低熔點合金時，由于后述的原因，也可能制品中后段的晶粒度比前端大。擠壓制品組織不均勻性的另一個特點是部分鋁合金擠壓制品表面出現粗大晶粒組織。鋁合金擠壓制品的前端中心部分，由于變形不足，特別是在擠壓比很小（λ＜5）時，常保留一定程度的鑄造組織。因此，生產中按照型材壁厚或棒材直徑的不同，規定在前端切去100～300mm的幾何廢料。 在擠壓制品的中段主要部分上，當變形程度較大時（ λ ≥10～12），其組織和性能基本上是均勻的。變形程度較小時（ λ ≤ 6 ～ 10），其中心和周邊上的組織特征仍然是不均勻的，而且變形程度越小，這種不均勻性越大。 擠壓制品的組織在斷面上和長度上出現不均勻性，主要是由于不均勻變形而引起的。根據擠壓流動變形特點的分析可知，在制品斷面上，由于外層金屬在擠壓過程中受模子形狀約束和摩擦阻力作用，使外層金屬主要要承受剪切變形，且一般情況下金屬的實際變形程度由外層向內逐漸減少，所以在擠壓制品斷面上會出現組織的不均勻性；在制品長度上，同樣是由于模子形狀約束和外摩擦的作用，使金屬流動不均勻性逐漸增加，所承受的附加剪切變形程度逐漸增加，從而使晶粒遭受破碎的程度由制品的前端向后端逐漸增大，導致制品長度上的組織不均勻。 造成擠壓制品不均勻性的另一因素是擠壓溫度與速度的變化。在擠壓純鋁和軟鋁合金時，由于坯料的加熱溫度與擠壓筒溫度相差不大，當擠壓比較大或擠壓速度較快時，由于變形熱與坯料表面摩擦效應較大，可使擠壓中后期變形區溫度明顯升高，因此也可能出現制品中后段的晶粒度比前端大的現象。 （二）粗晶環組織 如上所述，擠壓制品組織的不均勻性還表現在某些鋁合金在擠壓或隨后的熱處理過程中，在其外層出現粗大晶粒組織，通常稱之為粗晶環，如圖1-9所示。 根據粗晶環出現的時間，可將其分為兩類。第一類是在擠壓過程中即已形成的粗晶環，例如純鋁擠壓制品的粗晶環等。這類粗晶環的形成原因是，金屬的再結晶溫度比較低，可在擠壓溫度下發生完全再結晶。如前所述，由于模子形狀約束與外摩擦的作用造成金屬流動不均勻，外層金屬所承受的變形程度比內層大，晶粒受到劇烈的剪切變形，晶格發生嚴重的畸變，從而使外層金屬再結晶溫度低，容易發生再結晶并長大，形成粗晶組織。由于擠壓不均勻變形是從制品的頭部到尾部逐漸加劇的，因而粗晶環的深度也由頭部到尾部逐漸增加。 由于擠壓不均勻變形是絕對的，所以任何一種擠壓制品均有出現第一類粗晶環的傾向，只是由于有些合金的再結晶溫度比較高，在擠壓溫度下不易產生再結晶和晶粒長大（例如３Ａ２１等擠制品在鍛造前的加熱過程中同樣會產生粗晶環），或者因為擠壓流動相對較為均勻，不足以使外周層金屬的再結晶溫度明顯降低，而不容易出現粗晶環。 圖1-9 2A11合金擠壓棒材和2Ａ１２合金擠壓型材淬火后的粗晶環組織 第二類粗晶環是在擠壓制品的熱處理過程中形成的，例如含Mn、Cr、Zr等元素的熱處理可強化鋁合金。這些鋁合金制品在淬后，常可出現為嚴重的粗晶環組織。這類粗晶環的形成原因除與不均勻變形有關外，還與合金中含Mn、Cr等抗再結晶元素有關。 Mn、Cr等元素因溶于鋁合金中能提高再結晶溫度，合金中的化合物MnAl6、CrAl7、Mg2Si、CuAl2等可阻止再結晶晶粒的長大，擠壓時，由于模具幾何約束與強烈的摩擦作用，使外層金屬流動滯后于中心部分，外層金屬內呈很大的應力梯度和附加拉應力狀態，因此促進Mn的析出，使固溶體的再結晶溫度降低，產生一次再結晶，但因第二相由晶內析出后呈彌散質點狀態分布在晶界上，阻礙了晶粒的集聚長大。因 此促進Mn的析出，使固溶體的再結晶溫度降低，產生一次再結晶，但因第二相由晶內析出后呈彌散質點狀態分布在晶界上，阻礙了晶粒的集聚長大。因此，在擠壓后鋁合金制品外層呈現細晶組織。在淬火加熱時，由于溫度高，析出的第二相質點又重新溶解，使阻礙晶粒長大的作用消失，在這種情況下，一次再結晶的一些晶粒開始吞并周圍的晶粒迅速長大，形成粗晶組織，即粗晶環。而在擠壓制品的中心區，由于擠壓時呈穩定流動狀態，變形比較均勻，又由于受附加壓應力作用，不利于錳的析出，使中心區金屬的再結晶溫度較高，不易形成粗晶。影響粗晶環的因素主要有以下幾點： 1）擠壓溫度的影響 隨著擠壓溫度的增高，粗晶環的深度增加。這是由于擠壓溫度升高后，金屬的口，降低，變形不均勻性增加，坯料外層金屬的結晶點陣遭到更大的畸變，促進了再結晶的進行；高韞擠壓有利于第二相的析出與集聚，減弱了對晶粒長大的阻礙作用。 2）擠壓筒加熱溫度的影響 當擠壓筒加熱溫度高于坯料溫度時將促使不均勻變形減小，從而可減小粗晶環的深度。例如，擠壓6A02、2A50、2A14合金時采用此制度，對減小粗晶環深度有明顯的效果。 3）均勻化的影響 均勻化對不同鋁合金的影響不一樣。由于均勻化溫度一般是在470 ～550 ℃之間，在此溫度范圍內，6A02 一類合金的Mg2Si相將大量溶人基體金屬可以阻礙晶粒的長大；而對于2A12一類合金，卻會促使其中的MnAl6從基體中大量析出。這是由于在鑄造過程中，冷卻速度快MnAl6相來不及充分地從基體中析出。因此，在均勻化時MnAl6相進一步由基體中析出。在長時間高溫的作用下， MnAl6彌散質點集聚長大，從而使再結晶溫度和阻止再結晶的能力降低，導致粗晶環深度增加。 4）合金元素的影響 合金中錳、鉻、鈦、鐵等元素的含量與分布狀態對粗晶環有明顯影響。實驗研究表明，當2Al2合金中Mn的含量（質量分數）為0.2% ～0.6%時，擠壓制品在淬火后易形成粗晶環，而當2Al2合金中Mn的含量（質量分數）提高到0.8% ～0.9%時，可以完全消除粗晶環的產生。 5）應力狀態的影響 實驗證明，合金中存在的拉應力將促進擴散速度的增加， 而壓應力則能降低擴散速度。在擠壓時，由于不均勻變形外層金屬沿流動方向受拉應力作用，從而促進亍MnAl6等相的析出，降低了錳一類元素對再結晶的抑制作用。 6）熱處理加熱溫度和保溫時間的影響 一般來說，熱處理加熱溫度越高，保溫時間越長粗晶環的深度越大。例如，淬火溫度越高，將使Mg2Si 、CuAl2等第二相彌散質點溶解增加，MnAl6彌散質點聚集長大，抑制再結晶作用減弱，粗晶環深度增加；而適當地降低淬火加熱溫度能使粗晶環減小，甚至不發生。延長淬火保溫時間會產生與提高淬火溫度相類似影響。 粗晶環是鋁合金擠壓制品的一種常見組織缺陷，它引起制品的力學性能和耐蝕性能的降低，例如可使金屬的室溫強度降低20% ～ 30%，如表1-3所示。 減少或消除粗晶環的最根本方法，應該圍繞兩個方面采取措施，一是盡可能減少擠壓時的不均勻變形，二是控制再結晶的進行。 （三）層狀組織 所謂層狀組織，也稱片層狀組織，其特征是制品被折斷后，呈現出與木質相似的斷口，分層的斷口表面凹凸不平，分層方向與擠壓制品軸向平行，繼續塑性加工或熱處理均無法消除這種層狀組織。 層狀組織對制品縱向（擠壓方向）力學性能影響不大，而使 制品橫向力學性能降低，例如，用帶有層狀組織的材料做成的襯套所能承受的內壓要比無層狀組織的材料低30%左右。 根據實際生產經驗證明，產生層狀組織的基本原因是在坯料組織存在大量的微小氣孔、縮孔，或是在晶界上分布著未被溶解的第二相或者雜質等，在擠壓時被拉長，從而呈現層狀組織。層狀組織一般出現在制品的前端，這是由于在擠壓后期金屬變形程度大且流動紊亂，從而破壞了雜質薄膜的完整性，使層狀組織程度減弱。 在鋁合金中容易出現層狀組織的是6A02、2A50 等，7A04、2A12、2A11等合金中較少防止層狀組織出現的措施，應從坯料組織著手：減少坯料柱狀晶區，擴大等軸晶區，同時使晶間雜質分散或減少。另外，對于不同的合金還有一些相應的解決層狀組織的辦法。例如，據研究者認為，使6A02合金的Mn 含量超過0.18%時，層狀組織可消失。 二、鋁合金擠壓制品的力學性能 （一）力學生能的不均勻性 擠壓制品的變形和組織不均勻性必然相應地引起力學性能不均勻性。一般來說，實心制品（未經熱處理）的心部和前端的強度（σbσs）低，伸長率高，而外層和后端的強度高，伸長率低。 但對于擠壓純鋁、軟鋁合金（3A21等）來說，由于擠壓溫度較低，擠壓速度較快，擠壓過程中可能產生溫升，同時擠壓過程中所產生的位錯和亞結構較少，因而擠壓制品力學性能不均勻性特點有可能與上述情況相反。 擠壓制品力學性能的不均勻性也表現在制品的縱向和橫向性能差異上（即各向異性）。一般認為，制品的縱向與橫向力學性能不均勻，主要是由于變形織構的影響，但還有其他方面的原因。即擠壓后的制品晶粒被拉長；存在于晶粒間金屬化合物沿擠壓方向被拉長；擠壓時氣泡沿晶界析出等。 第五節擠壓時的溫度一速度條件 一、擠壓過程中的溫度變化 擠壓溫度和擠壓速度是擠壓過程中的兩個基本參數。塑性變形區的溫度必須與金屬塑性最好的溫度范圍相適應。 塑性變形區的溫度取決于坯料和工具的加熱溫度、變形熱以及被周圍介質所吸收的熱量。擠壓速度或金屬流動速度越大，被周圍介質吸收的熱量就越小，則塑性變形區的溫度就越高，反之亦然。在一定的變形程度下，或者是選擇合適的預熱溫度，或者是選擇合適的變形速度，都可以使塑性變形區的溫度保持在規定的范圍內，當變形速度較小時，必須提高預熱溫度。而變形速度較大時，則必須降低預熱溫度。因此，利用“錐形”加熱和冷卻模具的方法可獲得較高的擠壓速度。 隨著擠壓條件的變化，擠壓過程中的擠壓溫度和擠壓速度是不斷變化的。在擠壓鋁合金時，擠壓溫度較低（400～500℃），擠壓速度很慢（≤25mm/s），而且鋁合金的導熱很高，所以在計算塑變區的溫度場時必須考慮由于擠壓金屬的熱傳導和金屬與擠壓工具之間的熱交換而引起的溫度變化。 二、擠壓時的溫度條件 在確定擠壓的溫度制度時，應該考慮以下一些因素： 1）合金的塑性圖與狀態圖，了解合金最佳塑性溫度范圍和相變情況，避免在多相和相變溫度下變形； 2）擠壓過程溫度條件的特點，影響溫度條件變化的因素和調節方法以及溫升情況； 3）盡可能地降低變形抗力，減小擠壓力和作用在工模具上的載荷； 4）保證擠壓制品中的溫度分布均勻； 5）保證最大的流出速度； 6）保持溫度不超過該合金的臨界溫度，以免塑性降低產生裂紋； 7）保證擠壓時金屬不粘結工具，惡化制品表面品質； 8）保證制品的組織均一和力學性能最佳； 9）保證制品的尺寸精度。 在確定擠壓時的最佳溫度制度時，還應該考慮鑄錠的冶金學特點： 1）結晶組織的特點； 2）合金化學成分的波動； 3）金屬間化合物的特點； 4）疏松程度、氣體和其他的非金屬雜質的含量等。 三、擠壓時的速度條件 擠壓時的速度有三種：擠壓速度υj －表示擠壓機主柱塞、擠壓軸和擠壓墊的移動速度；金屬流出速度υL －金屬流出模孔時的速度； υL = υj · λ；變形速度ε，亦稱變形速率，即單位時間內變形量變化的大小： ε= 在生產中，最常用的是擠壓速度υj和流出速度υL 。了解擠壓速度便于正確控制擠壓時的擠壓軸前進速度。流出速度反映合金可擠壓性的高低。 擠壓時的速度與溫度是聯系在一起的。一般來說，提高擠壓速度則必須降低錠坯的加熱溫度；反之，提高了擠壓溫度則必須降低擠壓速度。 擠壓力是被擠壓合金變形抗力的函數。熱加工的目的，是為了利用金屬材料在高溫下屈服應力下降這一現象來實現大的變形量。具有高變形抗力的合金必須加熱到很高的變形溫度。但是，如果錠坯原始溫度和擠壓速度導致制品出口溫度非常接近該合金的固相線溫度時，則表面將產生裂紋、粗糙、質量變壞。圖1-10為最大速度和出口溫度之間的關系曲線。圖中給出了兩條極限曲線；一條表示設備能力的最大擠壓力曲線，超過它不可能實現擠壓；另一條表示合金制品開始開裂的冶金學極限。兩條曲線之間的面積提供了該合金擠壓時所有的加工工藝參數，特別是在交點上提供了理論上最大速度和相應的最佳出口溫度。應強調的是這個最佳值只是從擠壓速度角度出發，不一定能滿足制品的物理一冶金性能要求。 在確定常規擠壓時的實際金屬流出速度時，可在已知擠壓溫度的基礎上綜合考慮材料與工藝參數（如金屬變形抗力與塑性、擠壓系數、流動不均勻的特性工模具結構形式及預熱條件）以及設備條件的影響。 圖1-10 擠壓速度極限圈 第六節 鋁合金擠壓時的力學條件 及擠壓力計算方法 擠壓力是指在擠壓過程中為實現某一工藝程序所需設備最大的全壓力。 擠壓力是擠壓過程最重要的參數之一。為了選擇合適的設備，擬訂合理的工藝，設計先進而合理的模具和工具等，都必須精確地計算擠壓力的大小。 在擠壓過程中，力學條件是隨著金屬體積、金屬與擠壓筒之間的接觸表面狀態，接觸摩擦應力、擠壓的溫度速度規范以及其他條件變化而不斷發生變化的。這勢必會引起金屬對擠壓軸的全壓力發生變化，這種變化可用擠壓力一擠壓軸行程圖來表示，這種圖形通常叫做“示功圖”。如圖1-11所示，圖中1和2分別表示正擠壓時和反擠壓時的力與功的消耗曲線。比較兩條曲線的變化情況，明顯地反映了擠壓過程中摩擦力的變化規律。反擠壓時，由于摩擦力減少，所以其最大擠壓力比正擠壓力小。同時，根據這種實測曲線，可以說明擠壓力是由克服金屬變形所需的力和克服各種摩擦所需的力兩大部分組成的。 圖1-11全擠壓力變化圖（示功圖） 1 －正擠壓；2 －反擠壓 二、擠壓受力狀態分析及擠壓力的組成 1）擠壓時受力分析 鋁合金在穩流階段（基本擠壓階段）的受力狀態如圖1-12所示，包括擠壓筒壁、模子錐面和定徑帶表面作用在金屬上的正壓力和摩擦力，以及擠壓軸通過擠壓墊片作用在金屬上的擠壓力。這些外力隨擠壓方式不同而異：反向擠壓時，擠壓筒壁與金屬間的摩擦力為零；有效摩擦擠壓時，筒壁與金屬間的摩擦力與圖1-12所示的 方向相反而成為擠壓力的部分。不同擠壓條件下，接觸表面的應力分布也不相同，且不一定按線性變化。但用測壓針測定筒壁和模面受力情況的實驗結果表明，當擠壓條件不變時，各處的正壓力在擠壓過程中基本上不變。 圖1-12鋁合金正擠壓基本階段受力狀態圖 基本擠壓階段變形區內部的應力分布也是非常復雜的。大量的試驗結果表明，軸向應力σZ，就其絕對值大小而言，在靠近擠壓軸線的中心部小，而靠近擠壓筒壁的外大；剪切應力在中心線，沿半徑方向至坯料與擠壓筒（或擠壓模）接觸表面呈非線性變化；沿擠壓方向的逆向，各應力分量的絕對值隨著離開擠壓模出口距離的增加而上升。 2）擠壓力的組成 根據以上分析可知，在一般情況下，全擠壓力戶主要由以下各分力組成。 P=R錐+T錐+T筒+T定+T墊+Q+I 式中R錐－用以平衡阻礙金屬基本變形的內摩擦力，即基本變形力； T 錐－用以平衡變形區壓縮錐側表面上所產生的摩擦力； T 筒－當存在摩擦力的情況下，用以平衡擠壓筒和穿孔針側表面所產生的摩擦力； T定－用以平衡擠壓模具的工作帶表面上所產生的摩擦力； T 墊－用以平衡金屬與擠壓墊片接觸表面上所產生的摩擦力； Q －用以平衡反壓力或拉力的一種分力； I －在高速沖擊擠壓過程中，用以平衡慣性力。 因為在一般的鋁合金擠壓過程中， T墊、Q、I 這三個分力可以忽略不計，所以，可簡化為： P=R錐+T錐+T筒+T定+T墊 三、影響擠壓力的主要因素 1）合金的本性和變形抗力 一般來說，擠壓力與擠壓時合金的變形抗力成正比關系。但由于合金性質的不均勻性，往往不能保持嚴格的線）坯料的狀態 坯料內部組織性能均勻時，所需的擠壓力較小；經充分均勻化退火的鑄錠比不進行均勻化退火的擠壓力較低；經一次擠壓后的材料作為二次擠壓的坯料時，在相同工藝條件下，二次擠壓時所需的單位擠壓力比一次擠壓的大。 3）坯料的形狀與規格 坯料的形狀與規格對擠壓力的影響實際上是通過擠壓筒內坯料與筒壁之間的摩擦阻力而產生作用的。坯料的表面積越大，與筒壁的摩擦阻力就越大，因而擠壓力也就越大。因為在不同擠壓條件下坯料與筒壁之間的摩擦狀態不同，坯料的 形狀與規格對擠壓力的影響規律也不同。正向無潤滑熱擠壓時，坯料與筒壁之間處于常摩擦應力狀態，隨坯料長度的減小，擠壓力線性減小，但當擠壓過程中坯料長度上有溫度變化時，一般為非線性曲線。 帶潤滑正擠壓、冷擠壓、溫擠壓時，由于接觸表面正壓力沿軸向非均勻分布，故摩擦應力也非均勻分布，擠壓力與坯料長度之間一般為非線性關系。 反向擠壓時，坯料與筒壁之間無相對滑動，不產生摩擦阻力，故擠壓力與坯料長度無關。 4）工藝參數的影響 （1）變形程度 擠壓力與變形程度的對數值成正比例關系。 （2）變形溫度 變形溫度對擠壓力的影響是通過變形抗力的大小反映出來的。一般來說，隨變形溫度升高，變形抗力下降，所需擠壓力減少，但一般為非線）變形速度 變形速度也是通過變形抗力的變化影響擠壓力的。冷擠壓時，擠壓速度對擠壓力的影響較小。熱擠壓時，當擠壓過程無溫度、外摩擦條件等的變化條件下，擠壓力與擠壓速度（對數比例）之間呈線）外摩擦條件的影響 隨外摩擦的增加，金屬流動不均勻程度增加，因而所需的擠壓力增加。同時，由于金屬和擠壓筒、擠壓模、擠壓墊片之間的摩擦阻力增加，而大大增加擠壓力。一般來說，正向熱擠壓鋁合金時，因坯料與擠壓筒之間的摩擦阻力而比反向熱擠壓時的擠壓力高25%～35%。 6）模子形狀與尺寸的影響 （1）模角的影響 模角對擠壓力的影響，主要表現在變形區及變形區錐表面，而克服金屬與筒壁間的摩擦力及定徑帶上的摩擦力所需的擠壓力與模角無關。在一定的變形條件下，隨著模角α的增大，變形區內變形所需的擠壓力分量RM增加，但用于克服模子錐面上摩擦阻力的分量TM由于摩擦面積的減小而下降。以上兩個方面因素綜合作用的結果，使月RM +TM在某一模角αopt下為最小，從而總的擠壓力也在αopt為最小， αopt稱為最佳模角。擠壓最佳模角一般在45 ° ～60 °的范圍內，最佳模角與擠壓變形程度（ε=lnλ）之間具有如下關系： （2）模面形狀 采用合適的模面形狀能大大改善金屬流動的均勻性，降低擠壓力。對于鋁及鋁合金，由于大多數情況下為無潤滑擠壓，一般采用平面模或大角度錐模擠壓；而對于各種材料零部件的冷擠壓、溫擠壓成形，采用合適形狀的曲面模擠壓，以改善金屬的擠壓性，降低擠壓生產能耗，有其重要意義。 （3）定徑帶長度的影響 隨著定徑帶長度的增加，克服定徑帶摩擦阻力所需的擠壓力增加。消耗在定徑帶上的擠壓力分量為總擠壓力的5% ～ 10%。 （4）其他因素的影響 擠壓模的結構、模孔排列位置等對擠壓力也有較大的影響。當擠壓條件相同時，采用橋式模擠壓空心材比采用分流模擠壓的擠壓力下降30%。采用多孔模擠壓時，模孔的排列位置對擠壓力也有一定影響。 7）制品斷面形狀的影響 在擠壓變形條件一定的情況下，制品斷面形狀越復雜，所需的擠壓力越大。 8）擠壓方法 不同的擠壓方法所需的擠壓力不同。反擠壓比同等條件下正擠壓所需的擠壓力低30% ～ 40%；側向擠壓比正擠壓所需的擠壓力大。此外，采用有效摩擦擠壓、靜液擠壓、連續擠壓比正擠壓所需的擠壓力要低得多。 9）擠壓操作 除了上述影響擠壓力的因素外，實際擠壓生產中，還會因為工藝操作和生產技術等方面的原因而給擠壓力的大小帶來很大的影響。例如，由于加熱溫度不均勻，擠壓速度太慢或擠壓筒加熱溫度太低等因素，可導致擠壓力在擠壓過程中產生異常的變化。 四、擠壓力的計算 目前，計算擠壓力的公式很多，根據假設和推導方法不同大致可分為三類：平均應力法；滑移線法；有限元法和經驗系數法。在生產實際中，最常用經驗公式來計算擠壓力。經驗算式是根據大量實驗結果建立起來的，其最大優點是算式結構簡單，應用方便；其缺點是不能準確反映各擠壓工藝參數對擠壓力的影響，計算誤差較大。在工藝設計中，經驗算式可用來對擠壓力進行初步估計。最典型的經驗算式為： P=a+blnλ 式中 P－單位擠壓力； a、b－與擠壓條件有關的試驗常數； lnλ－擠壓系數。 第七節確定鋁合金最佳擠壓工藝制度的原則 一、擠壓方法的選擇 在各種不同的擠壓過程中，擠壓工具和被擠壓金屬之間的摩擦力增大了擠壓力的消耗和變形的不均勻性。因此，所選擇的擠壓方法應在滿足給定的條件下，保證消耗于接觸摩擦上的功最小，在選擇擠壓方法時，應滿足的主要給定條件包括： 1）擠壓設備所具有的工藝的可能性； 2）在擠壓狀態下被擠壓金屬的塑性； 3）滿足擠壓制品的質量要求。 二、坯料形狀與尺寸的確定 坯料的形狀和尺寸是決定整個擠壓過程中技術———經濟指標的最重要的工藝因素。確定坯料形狀和尺寸的原始條件是擠壓制品的規定形狀和尺寸。顯然，在所有的情況下，采用體積盡可能大的坯料是最合理的。選擇坯料的形狀、橫斷面尺寸和長度時，應考慮能保證擠壓制品的質量優良（幾何尺寸精度最高，允許的變形不均勻性最小），擠壓工具所允許的應力和允許的總壓力（根據擠壓機的力學特性而定）。根據擠壓制品的橫斷面形狀，坯料可選為圓形斷面，也可以選為矩形斷面（帶圓弧形側面）。為了減少擠壓制品力學性能的不均勻性，坯料的橫斷面積在填充擠壓之后應保證具有 允許的最小擠壓系數。如上所述，這個最小的擠壓系數值對于不繼續進行變形的制品應不小于8 ～ 12，而對于需進一步經受塑性變形的制品，應不小于5。最大的擠壓系數值受擠壓工具上所允許的應力值限制。 在潤滑擠壓時，坯料的長度對于擠壓制品的質量不發生影響，其力學條件也與坯料長度的關系不大。因此，最好采用盡可能長的坯料（需考慮制品的定尺）。 在無潤滑擠壓時，隨著坯料的增長，變形的不均勻性增大。此外，在這種條件下，隨著坯料長度的增加，為克服摩擦力（分力’ 筒）所消耗的擠壓力也增大。但是，若縮短鑄錠的長度，則消耗于擠壓殘料上的比金屬量會增多。 應根據上述各點，考慮選擇合理的坯料長度。 三、擠壓溫度范圍 擠壓的溫度范圍取決于合金本身的物理性能和化學成分，坯料的狀態、擠壓方法、溫度規范、變形程度與變形速度，工具所允許承受的壓力，對產品表面品質的要求，宏觀組織和顯微組織，對產品力學性能和物理一化學性能的要求，產品的斷面形狀與尺寸，對擠壓過程的生產率的要求及其他 因素。其中有許多因素對于選擇擠壓溫度的影響表現出相互矛盾的傾向。目前尚無法得出能考慮所有影響因素和滿足全部要求的最佳擠壓溫度范圍的分析方法，但是，在各種具體條件下的問題已個別地獲得了解決。擠壓溫度范圍的選擇大部分是根據基本理論原則在實驗條件下進行的。 四、擠壓速度的確定 對于鋁合金來說，在選定的熱擠壓溫度范圍內，根據合金成分和擠壓制品類別的不同，其流動速度可在0.5 ～ 100m/min或更大的十分寬廣的范圍內變化。 確定允許的最大金屬流動速度的準則是：不出現表面裂紋、不形成劃道、粘結工具及其他表面缺陷，保證制品橫斷面幾何尺寸穩定，不出現皺紋、波浪及其他缺陷。 除此以外，合金成分和塑性變形區的金屬溫度，坯料的原始狀態，變形的不均勻程度，制品橫斷面的形狀與尺寸，型材各部分的尺寸比例，工具結構，擠壓方法，接觸摩擦條件等都對流動速度有影響。 從某種意義上來說，可以相對地把所有的鋁合金分為如下三類： 第一類是工業純鋁和低合金化型的鋁合金，如1100、6063、3004, 等。這類合金無潤滑擠壓時，當其他條件相同，在整個擠壓溫度范圍內，都允許采用很高的流動速度（ 50 ～ 150m/min ）而不會產生表面裂紋。 第二類是6051、7005、5A02 及其他一些合金。這類合金允許有中等程度的流動速度（ 5 ～ 20m/min ）。 第三類是高合金化的合金和含銅量高的合金，其特點是易于形成裂紋。在無潤滑擠壓時，僅允許有低的流動速度（ 0.5 ～ 5m/min ）。這一類的典型合金有5A06、2A12、7A04 等。 五、擠工具的結構選擇 模具結構，特別是模孔形狀，穿孔針和擠壓墊片的結構會給予擠壓制品和表面品質，尺寸精度，允許流動速度和其他工藝要素以很大的，有時甚至是決定性的影響。 工具結構的工藝要素是： 1）模孔型腔出口斷面的形狀與尺寸。 2）模孔工作帶的形狀與長度。 3）模孔的出口端與入口端的圓角半徑。 4）模孔工作帶的入口角或者叫做“阻礙角”。 5）止推角。 6）模子工作表面母線的傾角（即模角）和從擠壓筒表面到模子表面的過渡區。 7）擠壓階段變斷面型材的模子中，被稱為“料兜“的過渡區模孔及其形狀，尺寸和圓角半徑。 8）型材在模子工作平面相對于擠壓軸線）多孔模上各模孔之間的距離及其相對于擠壓軸線）模子外形尺寸和厚度。 11）用于生產空心型材組合模的凸脊結構、金屬分流孔的個數、形狀、尺寸和分布，以及“焊合腔“的體積等。 12）穿孔針的結構和錐度。 13）擠壓墊片的結構尺寸和形狀。
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