铝合金型材应用及挤压特点.ppt

铝合金型材的应用及挤压特点 绪论铝合金挤压型材的分类一 铝合金挤压型材的分类对铝合金型材进行科学合理的分类 有利于科学合理地选择生产工艺和设备 正确地设计与制造工模具以及迅速地处理挤压车间的专业技术问题和生产管理问题 1 按照用途或使用特性 铝合金型材可分为通用型材和专用型材 专用型材按用途可分为 1 航天航空用型材 如整体带筋壁板 工字大梁 机翼大梁 梳状型材 空心大梁型材等 主要用作飞机 宇宙飞船等航天航空器的受力结构部件以及直升飞机异形空心旋翼大梁和飞机跑道等 2 车辆用型材 主要用作高速列车 地铁列车 轻轨列车 双层客车 豪华大巴以及货车等车辆的整体外形结构件和重要受力部件以及装饰部件 3 舰船 兵器用型材 主要用作船舶 舰艇 航空母舰 汽艇 水翼艇的上层结构和甲板 隔板 地板以及坦克 装甲车 运兵车等的整体外壳 重要受力部件 火箭和中远程弹的外壳 鱼雷 水雷的壳体等 4 电子电气 家用电器 邮电通讯以及空调散热器用型材 主要用作外壳 散热部件等 5 石油 煤炭 电力等能源工业以及机械制造工业用型材 主要用作管道 支架 矿车架 输电网 汇流排以及电机外壳和各种机器的受力部件等 6 交通运输 集装箱 冷藏箱以及公路桥梁用型材 主要用作装箱板 跳板 集装箱框架 冷冻型材以及轿车面板等 7 民用建筑及农业机械用型材 如民用建筑门窗型材 装饰件 围栏以及大型建筑结构件 大型幕墙型材和农用喷灌器械部件等 8 其他用途型材 如文体器材 跳水板 家具构件型材等 2 按形状与尺寸变化特征 型材可分为恒断面型材和变断面型材 恒断面型材可分为通用实心型材 空心型材 壁板型材和建筑门窗型材等 变断面型材分为阶段变断面和渐变断面型材 第一章铝合金挤压的基本变形条件和特点 第一节铝合金挤压时金属的流动特性研究金属在挤压时的塑性流动规律是非常重要的 因为它与挤压制品的组织 性能 表面品质 外形尺寸和形状精确度以及工模具设计原则 工模具的寿命等有十分密切的关系 金属的性能 挤压方法 工艺条件和模具结构等不同 挤压时金属的流动景象有很大的差异 用坐标网格法 观测塑性法 组合试样法 低倍组织法 光塑法 莫尔条纹 法以及硬度法等来研究挤压时的金属流动景象 铝合金挤压生产一般用观察制品和未挤压完的铸锭断面的低倍组织变化和金属流线特点来评定金属的流动景象 图1 1为挤压时金属流动坐标网格变化图 一 挤压时金属流动的基本阶段 挤压时金属的流动情况一般可分为三阶段 第一阶段为开始挤压阶段 又称为填充挤压阶段 金属受挤压轴的压力后 首先充满挤压筒和模孔 挤压力直线上升直至最大 在卧式挤压机上采用正挤压法挤压时 其填充过程如图1 2所示 第二阶段为基本挤压阶段 也叫平流挤压阶段 见图1 3 当挤压力达到突破压力 高峰压力 金属开始从模孔流出瞬间即进入此一阶段 一般来说 在此阶段中金属的流动相当于无数同心薄壁圆管的流动 即铸锭的内外层金属基本上不发生交错或反向的紊乱流动 锭坯在同一横断面上的金属质点均以同一速度或保持一定的速度进入变形区压缩锥 靠近挤压垫片和模子角落处的金属不参与流动而形成难变形的阻滞区或死区 在此阶段中挤压力随着锭坯的长度减少而下降 第三阶段为终了挤压阶段 或称紊流挤压阶段 在此阶段中 随着挤压垫片 已进入变形区内 与模子间距离的缩小 迫使变形区内的金属向着挤压轴线方向由周围向中心发生剧烈的横向流动 同时 两个死区中的金属也向模孔流动 形成挤压加工所特有的 挤压缩尾 等缺陷 见图1 4 在此阶段中 挤压力有重新回升的现象 此时应结束挤压操作过程 图1 5为铝材挤压时不同挤压阶段金属坐标网格变化示意图 二 主要因素对金属流动特征的影响1 接触摩擦与润滑的影响挤压时流动的金属与工具间存在接触摩擦力 其中以挤压筒壁上的摩擦力对金属流动的影响最大 当挤压筒内壁上的摩擦力很小时 变形区范围小且集中模孔附近 金属流动比较均匀 而当摩擦力很大时 变形区压缩锥和死区的高度增大 金属流动则很不均匀 以至促使锭坯外层金属过早地向中心流动形成较长的缩尾 可见 接触摩擦力对金属的流动均匀性起不良的影响 但是 在某些情况下 可以有效地利用金属与工具之间接触摩擦和冷却作用来改善金属的流动 如在挤压管材时 由于锭坯中心部分的金属受到穿孔针摩擦作用和冷却作用 而使其流速减缓 从而使金属流动变得较为均匀 减短产生缩尾的长度 在挤压断面壁厚变化急剧的复杂异形型材时 在设计模孔时利用不同的工作带长度对金属产生不同的摩擦作用来调节型材断面上各部分的流速 从而减少型材的扭拧 弯曲度 提高产品的精度 近年来发展起来的 有效摩擦挤压 则是利用摩擦力作为一种推动力来实现挤压过程 2 合金本性的影响金属及合金的强度与塑性对流动景象也有很大的影响 一般来说 强度越高 粘性越小 挤压温度越低则金属流动性越均匀 对于同一种金属或合金来说 其铸锭在挤压前加热条件对金属流动性也有一定的影响 当锭坯加热不均匀时会影响其横断面上变形抗力的均匀性 从而导致金属流动不均匀 3 挤压方法的影响一般来说 反向挤压比正向挤压流动均匀 润滑挤压比不润滑挤压流动均匀 冷挤压比热挤压流动均匀 有效摩擦挤压比其他挤压方法流动均匀 4 挤压工模具的影响挤压工模具的结构形状 表面状态 模孔排列 加热温度对金属的流动有很大的影响 设法提高金属流动的均匀性 是设计 制造挤压工模具的一个十分重要的问题 1 工模具结构和形状的影响挤压铝合金时 最常采用的模子主要有平面模和锥形模 模角越大 则金属流动越不均匀 用平面模挤压时 出现变形不均匀性的最大值 同时 随着模角的增大 死区的高度也逐渐增加 为了减少非接触变形 获得精确形状和尺寸的产品 在模子压缩锥到工作带的过渡处应做成一定的圆角 而且要有一定长度的工作带 在挤压断面形状复杂和异形材时 为了获得均匀的流速 调整工作带的形状和长度是有益的 这也是设计型材模具的关键技术之一 此外 在挤压管材和空心型材时 穿孔针的结构和形状及锥度 舌型模和平面分流组合模的结构 分流孔的大小和形状 焊合室的形状和尺寸 宽展模的宽展角 变断面模子中过渡区的结构和形状等都对金属的流动有很大的影响 在设计模子时应特别注意选择合理的结构和形状 以获得较均匀的金属流动 挤压垫片的结构和形状对金属的流动也有一定的影响 采用凹形垫片可以稍许增加金属的流动均匀性 但因挤压残料增大 加之也较麻烦 故除了连续挤压之外 一般用平垫片进行挤压 2 模孔排列的影响模孔的排列从两个方面来影响金属的流动特性 一是距离挤压筒中心的远近 接近中心的部分 金属流动快 而远离中心的部分由于受到挤压筒壁摩擦阻力的影响而使金属流速减慢 二是塑性变形区内供给各模孔或模孔各部分的金属量的分配 供应充足的部分流速较快 反之 供应不足的部分则金属流速减慢 因此 为了增加金属流动的均匀性 模孔应尽量对称地布置在模子平面上 在设计多孔模时 各模孔的中心应布置在距离中心某一合适距离的同心圆上 在设计异形材时 应使易流出的厚壁部分远离中心 而把难于流动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属流动均匀性 从而减少产品的弯曲 扭拧和各产品的流速差以及每根产品因流速不同而产生表面擦伤 3 表面状态的影响表面越光洁 过渡越圆滑 表面硬度越高 润滑条件越好 则挤压时的金属流动越均匀 4 加热温度的影响在挤压时 锭坯横断面上的温度越均匀 则挤压时的流动也越均匀 因此 应尽量减少挤压筒 挤压垫片和穿孔针 模子与变形金属之间的温度差 在挤压过程中 挤压筒加热保温 工模具预热等措施是十分重要的 5 其他因素的影响 铸锭长度 变形程度 挤压速度等对金属的流动均匀性也有一定的影响 如铸锭前端长度为1 1 5D筒的部分 金属流动极不均匀 变形程度过大或过小时 金属流动都不均匀 金属的流速过快 会增大金属流动的不均匀性等 根据上面的分析可知 由于各种因素错综复杂的影响 使挤压时金属的流动特性表现出多种多样的形式 归纳起来 可分为如图1 6所示的四种基本类型 类型 a 是反挤压 静液挤压 有效摩擦挤压时所具有的流动景象 流动最均匀 类型 b 是润滑挤压和冷态挤压时所具有的流动景象 与类型 a 相近 变形区集中在模孔附近 因此 不产生中心缩尾和环形缩尾 类型 c 为由于锭坯内外抗力不同和外摩擦的影响 而使金属流动不太均匀的景象 由变形区扩展到整个锭坯体积 死区高度比较高 但在基本挤压阶段尚未发生外部金属向中心流动时的情况 在挤压后期出现不太长的缩尾 类型 d 为流动最不均匀的景象 在挤压一开始 外层金属即向中心区流动 死区高度显著增加 故产生很长的缩尾 在一般情况下 纯铝和软铝合金的流动景象属于类型 b 硬铝合金的流动景象属于类型 c 而粘性高 挤压温度高 导热性能差的合金的流动景象属于类型 d 铝合金反向挤压和润滑挤压或静液挤压时可能获得 a 型的流动景象 图1 6平模挤压时金属的典型流动类型 第二节铝合金挤压时的润滑条件与工艺润滑剂在铝及铝合金材的挤压过程中 同样很需要使用润滑剂来降低金属与挤压筒壁及模子表面之间的摩擦 减少它们之间提粘着与工模具的磨损 但正如前所述 由于润滑剂的使用 往往会导致制品表面污染 以及润滑剂可能流人制品中心 形成更加明显的 挤压缩尾 因此 在铝及铝合金棒材的挤压中 多年来一直采用 无润滑挤压 在管材及空心材挤压中也只是对模面及穿孔针表面进行润滑 近年来 世界各国为了能在吨位有限的挤压机上挤压大且复杂的硬铝合金型材 同时也为了提高挤压速度以及获得组织性能较均匀的挤压材 对润滑挤压方法进行了较广泛的研究 并由于在工模具结构 润滑剂研究方面的突破 使润滑挤压法有了很大的发展 表1 1列出了 无润滑挤压 与 润滑挤压 铝合金型棒材时的有关参数比较 由此可见 润滑挤压可以较大幅度地降低挤压力 提高挤压速度以及提高制品的组织性能 有有人认为 模具表面粘铝是由于其表面上的三氧化二铁颗粒层与高温铝反应生成三氧化二铝 进而再由它有效地粘集金属流中更多的三氧化二铝形成的 因此 三氧化 从这一角度也可充分说明 在润滑挤压时 润滑涂层具有防止模具与铝直接接触 减少工模具表面氧化的作用 从而起到了防粘降摩 提高制品表面品质的作用 二铝是引起工模具粘铝的原因 为了得到具有高表面品质的制品 在润滑挤压时 必须采取如下措施以预防润滑层的破坏 在润滑剂成分中加入活性吸附的组分 加入在工作温度范围内具有高粘度的组分 加入有助于保持润滑膜完整性的细微弥散组分 设计合理的工模具结构 避免或减少 死区 的形成 在铝及铝合金热挤压时的润滑剂可分为两大类 第一类是用于热挤压管材和空心型材时涂抹穿孔的润滑剂 第二类是热挤压型材和管材时用于润滑挤压筒工作表面和坯料外表面的润滑剂 目前在我国的实际生产中 挤压铝及铝合金棒 型材仍在较广泛地采用无润滑挤压法 只是在管材挤压时 考虑到模子以及穿孔针工作条件异常恶劣 易于粘铝或损坏 对其表面间或性地涂抹润滑剂 第三节铝合金挤压时的应力应变状态一 挤压时金属的应力应变状态的特点挤压时 金属的应力和变形是十分复杂的 并随着挤压方法和工艺条件而变化 简单的挤压过程 即单孔平模正挤压圆棒材时的外力 应力和变形状态见图1 7 挤压金属所受外力有 挤压轴的正压力P 挤压筒壁和模孔壁的作用力P 在金属与垫片挤压筒及模孔接触面上的摩擦力T 其作用方向与金属的流动方向相反 这些外力的作用解决了挤压时基本应力状态是三向压应力状态 这种应力状态对利用和发挥金属的塑性是极其有利的 轴向压应力 e 径向压应力 r 周向或环形压应力 如图1 7 图1 7挤压时的外力 应力和变形状态图 挤压时的变形状态为 一维延伸变形 即轴向变形 e 二维压缩变形 即径向变形 r 及周向变形 挤压过程是轴对称问题 所以 r r 为了说明金属的变化情况 分析其应力分布如图1 8所示 在挤压过程中 由于模孔的存在 金属内部的应力状态可分为对着模孔的区域 和在 区周围的区域 在 区的应力分布是 e r 在 区内则 e r 在中心线上部与下部分别表示 区的 r及 e的分布 在 区的 e及 r 相应表示在上 下两周边线上 e及 r 在横断面的分布是中心部分小而靠周边部分大 图1 7应力分布示意图 二 变形不均匀性与残余应力如果挤压制品在挤压过程结束以后不经受外力作用的话 那么 变形状态的不均匀性是产生残余应力的基本原因 由于塑性变形区各部分的温度不均 在挤压制品中也会产生残余应力 但是 因为这种温度的不均匀性比较小 所以 由此而产生的残余应力值也不大 因此可以认为 挤压制品从塑性变形区流出瞬间的应力状态主要取决于因变形不均所引起的残余应力 在大多数挤压过程中 周边层的主拉伸变形要比中心层大 因此 周边层的拉伸弹性变形大于中心层的拉伸弹性变形 按照内力相互平衡的条件 这就会导致周边层为完全消除弹性变形而产生的收缩要小一些 而中心层为完全消除弹性变形而产生的收缩要大一些 结果 从模孔中流出来的挤压制品内 中心层产生了纵向压缩应力 而其周边层则产生残余拉伸应力 在挤压 未进行随后加工 的圆棒中 纵向残余应力的分布特征如图1 8 a 所示 应该注意到 在挤压型材时 其各部分流动速度的不均匀 性是产生残余应力的另一个原因 这些残余应力被型材各个部分的相互作用力所平衡 因而可能改变上述纵向残余应力的分布图形 实践经验证明 棒材从塑性变形区流出以后 由于弹性变形的缘故 其径向尺寸稍有增加 由于径向尺寸的这种增加 势必对各同心环层之间造成一种径向压缩应力 这种应力状态正如同一组承受有内 外压力逐渐降低为零的同心管中的应力状态一样 图1 8 b 为径向应力的分布示意图 由于应力呈对称分布 所以 尽管都为负号 但彼此之间仍可得到平衡 两个已示出的纵向和径向残余应力分布图形 确定了圆周应力图的分布形式 如图1 8 c 所示 图中示出了外周环形层的横向拉伸力和中心层的横向压缩力的分布 实际上 由于产生了径向压缩应力 在外周环形层中的横向应力只能是拉伸应力 因此 为了平衡各层之间的应力 内环形层中心的横向应力必须是压缩应力 图1 8挤压棒材中残余应力的分布示意图 a 纵向 b 径向 c 切向 热挤压时 由于挤压制品的随后冷却 往往会改变上述的应力状态 这种改变有时是十分明显的 例如 当缓慢的冷却时 常可导致类似于进行低温退火时的结果 即可能使残余应力几乎完全消除 在比表面积不大的型材中 由于热惯性大 出现这种缓慢冷却形式的可能性就较大 在挤压大直径棒材和厚壁型材时 除了因组织转变所引起的应力状态的改变外 由于周边层和中心层冷却的不均 也可能产生新的残余应力 周边层的快速冷却 起初会导致周边层的收缩和纵向拉伸应力的增加 而后 由于内层热量的影响 这种应力可能会消失 然后 内层金属由于受到冷却而产生收缩 从而在周边层引起纵向压缩应力 在内层则引起拉伸应力 同时 也可能出现圆周应力 在这里 应该注意到直径 或壁厚 的影响 显然 直径 或壁厚 越小 热惯性就越小 纵向层的温度就均衡得越快 出现温度残余应力的可能性就越小 在不对称变形的条件下 由于出现了一种不对称型的残余应力 所以 增大了总的残余应力值 不对称型残余应力的直接结果是使挤压制品产生翘曲 在温度不均匀的条件下 也可能产生不对称型残余应力 当挤压已变凉了的管才时 由于冷管包住了热针 所以 会产生更大的应力 这种应力可能在管材上引起纵向裂纹 因此 减少变形区中的变形和温度场的不均匀性具有十分重大的意义 第四节铝合金挤压制品的组织与性能一 铝合金挤压制品的组织 一 挤压制品组织不均匀性就实际生产中广泛采用的普通热挤压而言 挤压制品的组织与其他加工方法 例如轧制 锻造 相比 其特点是在制品的断面与长度方向上都不均匀 一般是头部晶粒很大 尾部晶粒细小 中心晶粒粗大 外层晶粒细小 热处理后产生粗晶环的制品除外 但是 在挤压铝和软铝合金一类低熔点合金时 由于后述的原因 也可能制品中后段的晶粒度比前端大 挤压制品组织不均匀性的另一个特点是部分铝合金挤压制品表面出现粗大晶粒组织 铝合金挤压制品的前端中心部分 由于变形不足 特别是在挤压比很小 5 时 常保留一定程度的铸造组织 因此 生产中按照型材壁厚或棒材直径的不同 规定在前端切去100 300mm的几何废料 在挤压制品的中段主要部分上 当变形程度较大时 10 12 其组织和性能基本上是均匀的 变形程度较小时 6 10 其中心和周边上的组织特征仍然是不均匀的 而且变形程度越小 这种不均匀性越大 挤压制品的组织在断面上和长度上出现不均匀性 主要是由于不均匀变形而引起的 根据挤压流动变形特点的分析可知 在制品断面上 由于外层金属在挤压过程中受模子形状约束和摩擦阻力作用 使外层金属主要要承受剪切变形 且一般情况下金属的实际变形程度由外层向内逐渐减少 所以在挤压制品断面上会出现组织的不均匀性 在制品长度上 同样是由于模子形状约束和外摩擦的作用 使金属流动不均匀性逐渐增加 所承受的附加剪切变形程度逐渐增加 从而使晶粒遭受破碎的程度由制品的前端向后端逐渐增大 导致制品长度上的组织不均匀 造成挤压制品不均匀性的另一因素是挤压温度与速度的变化 在挤压纯铝和软铝合金时 由于坯料的加热温度与挤压筒温度相差不大 当挤压比较大或挤压速度较快时 由于变形热与坯料表面摩擦效应较大 可使挤压中后期变形区温度明显升高 因此也可能出现制品中后段的晶粒度比前端大的现象 二 粗晶环组织 如上所述 挤压制品组织的不均匀性还表现在某些铝合金在挤压或随后的热处理过程中 在其外层出现粗大晶粒组织 通常称之为粗晶环 如图1 9所示 根据粗晶环出现的时间 可将其分为两类 第一类是在挤压过程中即已形成的粗晶环 例如纯铝挤压制品的粗晶环等 这类粗晶环的形成原因是 金属的再结晶温度比较低 可在挤压温度下发生完全再结晶 如前所述 由于模子形状约束与外摩擦的作用造成金属流动不均匀 外层金属所承受的变形程度比内层大 晶粒受到剧烈的剪切变形 晶格发生严重的畸变 从而使外层金属再结晶温度低 容易发生再结晶并长大 形成粗晶组织 由于挤压不均匀变形是从制品的头部到尾部逐渐加剧的 因而粗晶环的深度也由头部到尾部逐渐增加 由于挤压不均匀变形是绝对的 所以任何一种挤压制品均有出现第一类粗晶环的倾向 只是由于有些合金的再结晶温度比较高 在挤压温度下不易产生再结晶和晶粒长大 例如 等挤制品在锻造前的加热过程中同样会产生粗晶环 或者因为挤压流动相对较为均匀 不足以使外周层金属的再结晶温度明显降低 而不容易出现粗晶环 图1 92A11合金挤压棒材和2 合金挤压型材淬火后的粗晶环组织 第二类粗晶环是在挤压制品的热处理过程中形成的 例如含Mn Cr Zr等元素的热处理可强化铝合金 这些铝合金制品在淬后 常可出现为严重的粗晶环组织 这类粗晶环的形成原因除与不均匀变形有关外 还与合金中含Mn Cr等抗再结晶元素有关 Mn Cr等元素因溶于铝合金中能提高再结晶温度 合金中的化合物MnAl6 CrAl7 Mg2Si CuAl2等可阻止再结晶晶粒的长大 挤压时 由于模具几何约束与强烈的摩擦作用 使外层金属流动滞后于中心部分 外层金属内呈很大的应力梯度和附加拉应力状态 因此促进Mn的析出 使固溶体的再结晶温度降低 产生一次再结晶 但因第二相由晶内析出后呈弥散质点状态分布在晶界上 阻碍了晶粒的集聚长大 因 此促进Mn的析出 使固溶体的再结晶温度降低 产生一次再结晶 但因第二相由晶内析出后呈弥散质点状态分布在晶界上 阻碍了晶粒的集聚长大 因此 在挤压后铝合金制品外层呈现细晶组织 在淬火加热时 由于温度高 析出的第二相质点又重新溶解 使阻碍晶粒长大的作用消失 在这种情况下 一次再结晶的一些晶粒开始吞并周围的晶粒迅速长大 形成粗晶组织 即粗晶环 而在挤压制品的中心区 由于挤压时呈稳定流动状态 变形比较均匀 又由于受附加压应力作用 不利于锰的析出 使中心区金属的再结晶温度较高 不易形成粗晶 影响粗晶环的因素主要有以下几点 1 挤压温度的影响随着挤压温度的增高 粗晶环的深度增加 这是由于挤压温度升高后 金属的口 降低 变形不均匀性增加 坯料外层金属的结晶点阵遭到更大的畸变 促进了再结晶的进行 高韫挤压有利于第二相的析出与集聚 减弱了对晶粒长大的阻碍作用 2 挤压筒加热温度的影响当挤压筒加热温度高于坯料温度时将促使不均匀变形减小 从而可减小粗晶环的深度 例如 挤压6A02 2A50 2A14合金时采用此制度 对减小粗晶环深度有明显的效果 3 均匀化的影响均匀化对不同铝合金的影响不一样 由于均匀化温度一般是在470 550 之间 在此温度范围内 6A02一类合金的Mg2Si相将大量溶人基体金属可以阻碍晶粒的长大 而对于2A12一类合金 却会促使其中的MnAl6从基体中大量析出 这是由于在铸造过程中 冷却速度快MnAl6相来不及充分地从基体中析出 因此 在均匀化时MnAl6相进一步由基体中析出 在长时间高温的作用下 MnAl6弥散质点集聚长大 从而使再结晶温度和阻止再结晶的能力降低 导致粗晶环深度增加 4 合金元素的影响合金中锰 铬 钛 铁等元素的含量与分布状态对粗晶环有明显影响 实验研究表明 当2Al2合金中Mn的含量 质量分数 为0 2 0 6 时 挤压制品在淬火后易形成粗晶环 而当2Al2合金中Mn的含量 质量分数 提高到0 8 0 9 时 可以完全消除粗晶环的产生 5 应力状态的影响实验证明 合金中存在的拉应力将促进扩散速度的增加 而压应力则能降低扩散速度 在挤压时 由于不均匀变形外层金属沿流动方向受拉应力作用 从而促进亍MnAl6等相的析出 降低了锰一类元素对再结晶的抑制作用 6 热处理加热温度和保温时间的影响一般来说 热处理加热温度越高 保温时间越长粗晶环的深度越大 例如 淬火温度越高 将使Mg2Si CuAl2等第二相弥散质点溶解增加 MnAl6弥散质点聚集长大 抑制再结晶作用减弱 粗晶环深度增加 而适当地降低淬火加热温度能使粗晶环减小 甚至不发生 延长淬火保温时间会产生与提高淬火温度相类似影响 粗晶环是铝合金挤压制品的一种常见组织缺陷 它引起制品的力学性能和耐蚀性能的降低 例如可使金属的室温强度降低20 30 如表1 3所示 减少或消除粗晶环的最根本方法 应该围绕两个方面采取措施 一是尽可能减少挤压时的不均匀变形 二是控制再结晶的进行 三 层状组织所谓层状组织 也称片层状组织 其特征是制品被折断后 呈现出与木质相似的断口 分层的断口表面凹凸不平 分层方向与挤压制品轴向平行 继续塑性加工或热处理均无法消除这种层状组织 层状组织对制品纵向 挤压方向 力学性能影响不大 而使 制品横向力学性能降低 例如 用带有层状组织的材料做成的衬套所能承受的内压要比无层状组织的材料低30 左右 根据实际生产经验证明 产生层状组织的基本原因是在坯料组织存在大量的微小气孔 缩孔 或是在晶界上分布着未被溶解的第二相或者杂质等 在挤压时被拉长 从而呈现层状组织 层状组织一般出现在制品的前端 这是由于在挤压后期金属变形程度大且流动紊乱 从而破坏了杂质薄膜的完整性 使层状组织程度减弱 在铝合金中容易出现层状组织的是6A02 2A50等 7A04 2A12 2A11等合金中较少防止层状组织出现的措施 应从坯料组织着手 减少坯料柱状晶区 扩大等轴晶区 同时使晶间杂质分散或减少 另外 对于不同的合金还有一些相应的解决层状组织的办法 例如 据研究者认为 使6A02合金的Mn含量超过0 18 时 层状组织可消失 二 铝合金挤压制品的力学性能 一 力学生能的不均匀性挤压制品的变形和组织不均匀性必然相应地引起力学性能不均匀性 一般来说 实心制品 未经热处理 的心部和前端的强度 b s 低 伸长率高 而外层和后端的强度高 伸长率低 但对于挤压纯铝 软铝合金 3A21等 来说 由于挤压温度较低 挤压速度较快 挤压过程中可能产生温升 同时挤压过程中所产生的位错和亚结构较少 因而挤压制品力学性能不均匀性特点有可能与上述情况相反 挤压制品力学性能的不均匀性也表现在制品的纵向和横向性能差异上 即各向异性 一般认为 制品的纵向与横向力学性能不均匀 主要是由于变形织构的影响 但还有其他方面的原因 即挤压后的制品晶粒被拉长 存在于晶粒间金属化合物沿挤压方向被拉长 挤压时气泡沿晶界析出等 第五节挤压时的温度一速度条件一 挤压过程中的温度变化挤压温度和挤压速度是挤压过程中的两个基本参数 塑性变形区的温度必须与金属塑性最好的温度范围相适应 塑性变形区的温度取决于坯料和工具的加热温度 变形热以及被周围介质所吸收的热量 挤压速度或金属流动速度越大 被周围介质吸收的热量就越小 则塑性变形区的温度就越高 反之亦然 在一定的变形程度下 或者是选择合适的预热温度 或者是选择合适的变形速度 都可以使塑性变形区的温度保持在规定的范围内 当变形速度较小时 必须提高预热温度 而变形速度较大时 则必须降低预热温度 因此 利用 锥形 加热和冷却模具的方法可获得较高的挤压速度 随着挤压条件的变化 挤压过程中的挤压温度和挤压速度是不断变化的 在挤压铝合金时 挤压温度较低 400 500 挤压速度很慢 25mm s 而且铝合金的导热很高 所以在计算塑变区的温度场时必须考虑由于挤压金属的热传导和金属与挤压工具之间的热交换而引起的温度变化 二 挤压时的温度条件在确定挤压的温度制度时 应该考虑以下一些因素 1 合金的塑性图与状态图 了解合金最佳塑性温度范围和相变情况 避免在多相和相变温度下变形 2 挤压过程温度条件的特点 影响温度条件变化的因素和调节方法以及温升情况 3 尽可能地降低变形抗力 减小挤压力和作用在工模具上的载荷 4 保证挤压制品中的温度分布均匀 5 保证最大的流出速度 6 保持温度不超过该合金的临界温度 以免塑性降低产生裂纹 7 保证挤压时金属不粘结工具 恶化制品表面品质 8 保证制品的组织均一和力学性能最佳 9 保证制品的尺寸精度 在确定挤压时的最佳温度制度时 还应该考虑铸锭的冶金学特点 1 结晶组织的特点 2 合金化学成分的波动 3 金属间化合物的特点 4 疏松程度 气体和其他的非金属杂质的含量等 三 挤压时的速度条件挤压时的速度有三种 挤压速度 j 表示挤压机主柱塞 挤压轴和挤压垫的移动速度 金属流出速度 L 金属流出模孔时的速度 L j 变形速度 亦称变形速率 即单位时间内变形量变化的大小 在生产中 最常用的是挤压速度 j和流出速度 L 了解挤压速度便于正确控制挤压时的挤压轴前进速度 流出速度反映合金可挤压性的高低 挤压时的速度与温度是联系在一起的 一般来说 提高挤压速度则必须降低锭坯的加热温度 反之 提高了挤压温度则必须降低挤压速度 挤压力是被挤压合金变形抗力的函数 热加工的目的 是为了利用金属材料在高温下屈服应力下降这一现象来实现大的变形量 具有高变形抗力的合金必须加热到很高的变形温度 但是 如果锭坯原始温度和挤压速度导致制品出口温度非常接近该合金的固相线温度时 则表面将产生裂纹 粗糙 质量变坏 图1 10为最大速度和出口温度之间的关系曲线 图中给出了两条极限曲线 一条表示设备能力的最大挤压力曲线 超过它不可能实现挤压 另一条表示合金制品开始开裂的冶金学极限 两条曲线之间的面积提供了该合金挤压时所有的加工工艺参数 特别是在交点上提供了理论上最大速度和相应的最佳出口温度 应强调的是这个最佳值只是从挤压速度角度出发 不一定能满足制品的物理一冶金性能要求 在确定常规挤压时的实际金属流出速度时 可在已知挤压温度的基础上综合考虑材料与工艺参数 如金属变形抗力与塑性 挤压系数 流动不均匀的特性工模具结构形式及预热条件 以及设备条件的影响 图1 10挤压速度极限圈 第六节铝合金挤压时的力学条件及挤压力计算方法挤压力是指在挤压过程中为实现某一工艺程序所需设备最大的全压力 挤压力是挤压过程最重要的参数之一 为了选择合适的设备 拟订合理的工艺 设计先进而合理的模具和工具等 都必须精确地计算挤压力的大小 在挤压过程中 力学条件是随着金属体积 金属与挤压筒之间的接触表面状态 接触摩擦应力 挤压的温度速度规范以及其他条件变化而不断发生变化的 这势必会引起金属对挤压轴的全压力发生变化 这种变化可用挤压力一挤压轴行程图来表示 这种图形通常叫做 示功图 如图1 11所示 图中1和2分别表示正挤压时和反挤压时的力与功的消耗曲线 比较两条曲线的变化情况 明显地反映了挤压过程中摩擦力的变化规律 反挤压时 由于摩擦力减少 所以其最大挤压力比正挤压力小 同时 根据这种实测曲线 可以说明挤压力是由克服金属变形所需的力和克服各种摩擦所需的力两大部分组成的 图1 11全挤压力变化图 示功图 1 正挤压 2 反挤压 二 挤压受力状态分析及挤压力的组成1 挤压时受力分析铝合金在稳流阶段 基本挤压阶段 的受力状态如图1 12所示 包括挤压筒壁 模子锥面和定径带表面作用在金属上的正压力和摩擦力 以及挤压轴通过挤压垫片作用在金属上的挤压力 这些外力随挤压方式不同而异 反向挤压时 挤压筒壁与金属间的摩擦力为零 有效摩擦挤压时 筒壁与金属间的摩擦力与图1 12所示的 方向相反而成为挤压力的部分 不同挤压条件下 接触表面的应力分布也不相同 且不一定按线性变化 但用测压针测定筒壁和模面受力情况的实验结果表明 当挤压条件不变时 各处的正压力在挤压过程中基本上不变 图1 12铝合金正挤压基本阶段受力状态图 基本挤压阶段变形区内部的应力分布也是非常复杂的 大量的试验结果表明 轴向应力 Z 就其绝对值大小而言 在靠近挤压轴线的中心部小 而靠近挤压筒壁的外大 剪切应力在中心线 对称 轴 上为0 沿半径方向至坯料与挤压筒 或挤压模 接触表面呈非线性变化 沿挤压方向的逆向 各应力分量的绝对值随着离开挤压模出口距离的增加而上升 2 挤压力的组成根据以上分析可知 在一般情况下 全挤压力户主要由以下各分力组成 P R锥 T锥 T筒 T定 T垫 Q I式中R锥 用以平衡阻碍金属基本变形的内摩擦力 即基本变形力 T锥 用以平衡变形区压缩锥侧表面上所产生的摩擦力 T筒 当存在摩擦力的情况下 用以平衡挤压筒和穿孔针侧表面所产生的摩擦力 T定 用以平衡挤压模具的工作带表面上所产生的摩擦力 T垫 用以平衡金属与挤压垫片接触表面上所产生的摩擦力 Q 用以平衡反压力或拉力的一种分力 I 在高速冲击挤压过程中 用以平衡惯性力 因为在一般的铝合金挤压过程中 T垫 Q I这三个分力可以忽略不计 所以 可简化为 P R锥 T锥 T筒 T定 T垫三 影响挤压力的主要因素1 合金的本性和变形抗力一般来说 挤压力与挤压时合金的变形抗力成正比关系 但由于合金性质的不均匀性 往往不能保持严格的线性关系 2 坯料的状态坯料内部组织性能均匀时 所需的挤压力较小 经充分均匀化退火的铸锭比不进行均匀化退火的挤压力较低 经一次挤压后的材料作为二次挤压的坯料时 在相同工艺条件下 二次挤压时所需的单位挤压力比一次挤压的大 3 坯料的形状与规格坯料的形状与规格对挤压力的影响实际上是通过挤压筒内坯料与筒壁之间的摩擦阻力而产生作用的 坯料的表面积越大 与筒壁的摩擦阻力就越大 因而挤压力也就越大 因为在不同挤压条件下坯料与筒壁之间的摩擦状态不同 坯料的 形状与规格对挤压力的影响规律也不同 正向无润滑热挤压时 坯料与筒壁之间处于常摩擦应力状态 随坯料长度的减小 挤压力线性减小 但当挤压过程中坯料长度上有温度变化时 一般为非线性曲线 带润滑正挤压 冷挤压 温挤压时 由于接触表面正压力沿轴向非均匀分布 故摩擦应力也非均匀分布 挤压力与坯料长度之间一般为非线性关系 反向挤压时 坯料与筒壁之间无相对滑动 不产生摩擦阻力 故挤压力与坯料长度无关 4 工艺参数的影响 1 变形程度挤压力与变形程度的对数值成正比例关系 2 变形温度变形温度对挤压力的影响是通过变形抗力的大小反映出来的 一般来说 随变形温度升高 变形抗力下降 所需挤压力减少 但一般为非线性关系 3 变形速度变形速度也是通过变形抗力的变化影响挤压力的 冷挤压时 挤压速度对挤压力的影响较小 热挤压时 当挤压过程无温度 外摩擦条件等的变化条件下 挤压力与挤压速度 对数比例 之间呈线性关系 5 外摩擦条件的影响随外摩擦的增加 金属流动不均匀程度增加 因而所需的挤压力增加 同时 由于金属和挤压筒 挤压模 挤压垫片之间的摩擦阻力增加 而大大增加挤压力 一般来说 正向热挤压铝合金时 因坯料与挤压筒之间的摩擦阻力而比反向热挤压时的挤压力高25 35 6 模子形状与尺寸的影响 1 模角的影响模角对挤压力的影响 主要表现在变形区及变形区锥表面 而克服金属与筒壁间的摩擦力及定径带上的摩擦力所需的挤压力与模角无关 在一定的变形条件下 随着模角 的增大 变形区内变形所需的挤压力分量RM增加 但用于克服模子锥面上摩擦阻力的分量TM由于摩擦面积的减小而下降 以上两个方面因素综合作用的结果 使月RM TM在某一模角 opt下为最小 从而总的挤压力也在 opt为最小 opt称为最佳模角 挤压最佳模角一般在45 60 的范围内 最佳模角与挤压变形程度 ln 之间具有如下关系 2 模面形状采用合适的模面形状能大大改善金属流动的均匀性 降低挤压力 对于铝及铝合金 由于大多数情况下为无润滑挤压 一般采用平面模或大角度锥模挤压 而对于各种材料零部件的冷挤压 温挤压成形 采用合适形状的曲面模挤压 以改善金属的挤压性 降低挤压生产能耗 有其重要意义 3 定径带长度的影响随着定径带长度的增加 克服定径带摩擦阻力所需的挤压力增加 消耗在定径带上的挤压力分量为总挤压力的5 10 4 其他因素的影响挤压模的结构 模孔排列位置等对挤压力也有较大的影响 当挤压条件相同时 采用桥式模挤压空心材比采用分流模挤压的挤压力下降30 采用多孔模挤压时 模孔的排列位置对挤压力也有一定影响 7 制品断面形状的影响 在挤压变形条件一定的情况下 制品断面形状越复杂 所需的挤压力越大 8 挤压方法不同的挤压方法所需的挤压力不同 反挤压比同等条件下正挤压所需的挤压力低30 40 侧向挤压比正挤压所需的挤压力大 此外 采用有效摩擦挤压 静液挤压 连续挤压比正挤压所需的挤压力要低得多 9 挤压操作除了上述影响挤压力的因素外 实际挤压生产中 还会因为工艺操作和生产技术等方面的原因而给挤压力的大小带来很大的影响 例如 由于加热温度不均匀 挤压速度太慢或挤压筒加热温度太低等因素 可导致挤压力在挤压过程中产生异常的变化 四 挤压力的计算目前 计算挤压力的公式很多 根据假设和推导方法不同大致可分为三类 平均应力法 滑移线法 有限元法和经验系数法 在生产实际中 最常用经验公式来计算挤压力 经验算式是根据大量实验结果建立起来的 其最大优点是算式结构简单 应用方便 其缺点是不能准确反映各挤压工艺参数对挤压力的影响 计算误差较大 在工艺设计中 经验算式可用来对挤压力进行初步估计 最典型的经验算式为 P a bln 式中P 单位挤压力 a b 与挤压条件有关的试验常数 ln 挤压系数 第七节确定铝合金最佳挤压工艺制度的原则一 挤压方法的选择在各种不同的挤压过程中 挤压工具和被挤压金属之间的摩擦力增大了挤压力的消耗和变形的不均匀性 因此 所选择的挤压方法应在满足给定的条件下 保证消耗于接触摩擦上的功最小 在选择挤压方法时 应满足的主要给定条件包括 1 挤压设备所具有的工艺的可能性 2 在挤压状态下被挤压金属的塑性 3 满足挤压制品的质量要求 二 坯料形状与尺寸的确定坯料的形状和尺寸是决定整个挤压过程中技术 经济指标的最重要的工艺因素 确定坯料形状和尺寸的原始条件是挤压制品的规定形