韋錦輝，黃雪梅，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550）

避免鋁合金擠壓棒材產(chǎn)生粗晶的模具結(jié)構(gòu)研究

韋錦輝，黃雪梅，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550）

鋁合金棒材應(yīng)用廣泛，其生產(chǎn)過(guò)程中的主要問(wèn)題是粗晶的出現(xiàn)，目前解決這一問(wèn)題的方法主要是通過(guò)化學(xué)成份與擠壓工藝的改進(jìn)以及采用均勻化處理。通過(guò)分析擠壓過(guò)程中金屬成形的特點(diǎn)，介紹了實(shí)踐中通過(guò)改變模具結(jié)構(gòu)而改變金屬的變形程度和提高成形過(guò)程中的壓應(yīng)力從而可以減少或避免粗晶產(chǎn)生的模具結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)實(shí)踐證明該方法是可行有效的。

鋁合金棒材；粗晶；模具結(jié)構(gòu)；變形程度；壓應(yīng)力

0　前言

由于鋁合金具有良好的抗腐蝕性、可焊接性和輕量性等特性，使擠壓棒材的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但在棒材的生產(chǎn)過(guò)程中，最大的問(wèn)題是棒材容易出現(xiàn)粗晶環(huán)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響材料的使用性能。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究，但主要集中在對(duì)鋁合金的擠壓工藝、合金的化學(xué)成份、均勻化處理對(duì)棒材力學(xué)性能及粗晶環(huán)的影響方面，例如采用反向擠壓在線淬火＋拉撥＋人工時(shí)效的方式[1]，目前鋁合金棒材的生產(chǎn)方式主要采用正擠壓方式[2]。這些研究都忽視了成形過(guò)程對(duì)棒材力學(xué)性能的影響，即擠壓變形程度及應(yīng)力對(duì)晶粒大小的影響。雖然棒材的晶粒度大小與擠壓溫度、速度、變形程度等因素有關(guān)，而且變形程度與擠壓比直接有關(guān)，但是，在相同擠壓比的情況下，模具結(jié)構(gòu)的不同，也可影響成形過(guò)程中的變形難易，使得擠壓力也是不同的。而擠壓力越大，則形成三向壓應(yīng)力將越大，這將有利于晶粒細(xì)化。本文另辟路徑，通過(guò)改變模具結(jié)構(gòu)的方式，從而改變成形過(guò)程中的變形程度、提高金屬成形的壓應(yīng)力，繼而細(xì)化棒材的晶粒度，供同行參考。

1　傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)與分析

傳統(tǒng)的鋁合金棒材生產(chǎn)方式是采用正擠壓的中心擠壓方式，即型孔處于模具的中心并與擠壓筒的中心相重合。模具結(jié)構(gòu)通常采用帶導(dǎo)流室的形式[3]，為普通的模面（子）與模墊的結(jié)合方式，如圖1所示。采用這種方式，模具制造簡(jiǎn)單，擠壓變形程度小，擠壓力低，不足之處是型材的晶粒度大，容易出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，所獲得的力學(xué)性能及導(dǎo)電率較低。造成這種現(xiàn)象的原因是，一方面擠壓比小，變形程度小所產(chǎn)生的靜水壓力?。涣硪环矫?，傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)只有一次金屬預(yù)變形，因此，預(yù)變形的程度較大。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，金屬的再結(jié)晶溫度與金屬的預(yù)變形程度有關(guān)，金屬的預(yù)變形程度越大，再結(jié)晶的溫度就越低。這是由于預(yù)變形程度越大，金屬晶粒的破碎程度便越大，產(chǎn)生的位錯(cuò)等缺陷就越多，組織的不穩(wěn)定性就越明顯，因而會(huì)在較低的溫度下開(kāi)始再結(jié)晶[5]。再結(jié)晶后的金屬，一般都得到小而均勻的等軸晶粒，如溫度繼續(xù)升高，再結(jié)晶后的晶粒又以相互呑并的方式長(zhǎng)大，因此，造成產(chǎn)品出現(xiàn)粗晶的現(xiàn)象。

圖1　傳統(tǒng)的平面模結(jié)構(gòu)示意圖

為了得到更可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)，在實(shí)踐中，采用了循序漸進(jìn)的方式，首先進(jìn)行模具試驗(yàn)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2　模具試驗(yàn)

2.1理論依據(jù)

（1）熱擠壓時(shí)晶粒的擴(kuò)散速度與合金中的應(yīng)力有關(guān)，三向壓應(yīng)力使擴(kuò)散速度降低，壓應(yīng)力越大，擴(kuò)散速度越小，從而使晶粒細(xì)化[6]。

（2）擠壓時(shí)，由于模具幾何約束與強(qiáng)烈的摩擦作用，使外層金屬流動(dòng)滯后于中心部分，外層金屬內(nèi)呈很大的應(yīng)力梯度和拉應(yīng)力狀態(tài)，因此，促進(jìn)了Mn的析出，使固溶體的再結(jié)晶溫度降低，產(chǎn)生一次再結(jié)晶，但因第二相由晶內(nèi)析出后呈彌散質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布在晶界上，阻礙晶粒的集聚長(zhǎng)大[6]。

2.2試驗(yàn)過(guò)程

以φ25mm的棒材作為試驗(yàn)產(chǎn)品，分別在擠壓能力為8MN和18MN的擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓。設(shè)計(jì)并制作模具4套，分別編號(hào)為1?！?＃，模具的主要形式如下：

1＃模具：8MN，單孔設(shè)計(jì)；2＃模具：18MN，單孔設(shè)計(jì)；3＃模具：18MN，雙孔設(shè)計(jì)；4＃模具：18MN，偏心單孔設(shè)計(jì)。

?？撞贾萌鐖D2所示，每套模孔的尺寸、導(dǎo)流室尺寸、工作帶尺寸都完全一致，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比方案如表1所示。

圖2　試驗(yàn)?zāi)＞叩哪？撞贾檬疽鈭D

表1　模具試驗(yàn)與結(jié)果對(duì)比方案

在設(shè)定相同的擠壓溫度和速度下對(duì)上述4套模具進(jìn)行上機(jī)擠壓。每套模具上機(jī)擠壓后，截取長(zhǎng)度為1m的樣品各4個(gè)，然后進(jìn)行晶粒度的檢測(cè)與比較。檢測(cè)與比較的方法，采用工廠目前通行的做法，簡(jiǎn)單而實(shí)用：即將樣品放入工廠氧化車(chē)間的酸洗槽中約25～30min，取出在清水槽中清洗干凈，就可以用目測(cè)的方法看出棒材樣品的晶粒度大小。

對(duì)表1中的4套模具擠壓后的樣品，采用上述方法檢測(cè)并進(jìn)行晶粒度比較。結(jié)果顯示，2＃模與4＃模所得到的樣品的晶粒是最小和最均勻的，尤其是以4＃模的樣品最佳；而1＃模與3＃模的樣品所表現(xiàn)的晶粒度幾乎一致。由此可以看出，擠壓系數(shù)越大或變形程度越大，所獲得的產(chǎn)品的晶粒將越細(xì)小、均勻。從表1也可看出，1＃模與3＃模的擠壓系數(shù)相近，而2＃模與4＃模的擠壓系數(shù)一樣，但要比1＃模與3＃模的擠壓系數(shù)大近1倍。雖然2＃模與4＃模的擠壓系數(shù)相同，但4＃模的?？灼x了中心一定的距離，所以變形程度要大些。另一方面，從現(xiàn)場(chǎng)記錄的擠壓力情況顯示，4＃模的擠壓力為最大，其次為2＃模。

3　改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果并分析提高擠壓力從而增加成形過(guò)程中的三向壓應(yīng)力及增大變形程度的方法，列舉了下例幾種模具，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)與制造并投入擠壓生產(chǎn)。生產(chǎn)表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模具，可大幅度提高擠壓力，得到產(chǎn)品的晶粒細(xì)小均勻，沒(méi)有粗晶的出現(xiàn)，可滿足用戶的要求，現(xiàn)將模具結(jié)構(gòu)介紹如下。

3.1階梯式的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)為采用導(dǎo)流板與模子結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3　階梯式導(dǎo)流孔平面模結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　偏心式?？椎钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖

采用這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流孔或?qū)Я魇也捎秒A梯形式，導(dǎo)流板的厚度可取得相對(duì)較大一些，可取模具總厚的60%～70%，階梯的級(jí)數(shù)可以2～5級(jí)，相鄰階梯孔徑相差4～10mm，階梯高度取15～25mm，目的在于增加擠壓成形過(guò)程中的剛性區(qū)，增加變形時(shí)的阻力，使金屬經(jīng)過(guò)多次的預(yù)變形，提高擠壓力，從而達(dá)到提高成形過(guò)程中的靜水壓力。因?yàn)樵跀D壓成形過(guò)程中，壓應(yīng)力能降低組織的擴(kuò)散速度，壓應(yīng)力越大則擴(kuò)散速度越小從而抑制晶粒的長(zhǎng)大[4]，進(jìn)而獲得良好的表面質(zhì)量和致密的內(nèi)部組織。

3.2偏心式?？捉Y(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是打破常規(guī)的?？撞贾梅绞?，將模孔置于偏離模具中心的某一位置上，如圖4所示。

采用這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流孔邊緣離擠壓筒內(nèi)壁距離應(yīng)大于10mm，這種結(jié)構(gòu)大大增加了變形程度和擠壓力，從而大大提高了金屬擠壓變形過(guò)程中的靜水壓力，因而可獲得晶粒更為細(xì)小的內(nèi)部組織。同時(shí)，由于離?？鬃钸h(yuǎn)端的金屬進(jìn)入?？椎淖枇Υ蟠筇岣吡?，這相當(dāng)于增大了擠壓筒的內(nèi)徑，間接地增加了擠壓系數(shù)。因此，采用這種結(jié)構(gòu)，可避免粗晶的產(chǎn)生，同時(shí)可充分發(fā)揮擠壓設(shè)備的潛能。

采用這種結(jié)構(gòu)，模子與導(dǎo)流板要以止口的方式進(jìn)行組合，同時(shí)，模孔不能采用車(chē)削或精磨方式進(jìn)行加工，而必須采用電加工進(jìn)行，由于模孔為圓形，所以加工的難度也不大。

3.3導(dǎo)流孔斜入式階梯導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)有兩種形式：

（1）第一種形式是將?？字糜谀＞叩闹行?，并且在模子上增設(shè)1～2級(jí)導(dǎo)流室或?qū)Я髑唬鴮?dǎo)流板上的導(dǎo)流入口則置于偏離模具中心的某一位置并以擴(kuò)展斜入的方式進(jìn)入?？?，如圖5所示。

圖5　斜入式?？自谥行牡钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖

采用這種結(jié)構(gòu)，?？椎募庸た刹捎密?chē)削或磨削的方式進(jìn)行，可以得到很高的尺寸精度和表面質(zhì)量，因而可獲得質(zhì)量相當(dāng)高的棒材產(chǎn)品。對(duì)于尺寸精度和表面質(zhì)量、晶粒度有較高要求的棒材可采用這種結(jié)構(gòu)，更為有效。

（2）第二種形式是將?？字糜谄x模具中心的某一位置上，而導(dǎo)流板上的導(dǎo)流入口則置于模具中心并以擴(kuò)展斜入的方式進(jìn)入?？?，如圖6所示。

圖6　斜入式?？灼牡钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖

采用這兩種形式時(shí)，模子與導(dǎo)流板要以止口的方式進(jìn)行組合，導(dǎo)流孔斜入角度以55～65為宜，入口導(dǎo)流孔尺寸要比?？壮叽绱?0～20mm。

這兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于擠壓系數(shù)小，而采用擠壓能力小的擠壓機(jī)的生產(chǎn)方式更為合適。因?yàn)?，通過(guò)提高擠壓系數(shù)來(lái)增加變形程度最直接的方式就是選用擠壓筒內(nèi)徑較大的擠壓機(jī)，但這同樣將大大增加模具的尺寸與擠壓過(guò)程的能耗，因此，一味的追求擠壓機(jī)能力的增大在實(shí)際中也是不現(xiàn)實(shí)的。

4　結(jié)論

結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)的合理改變也可以改變金屬成形過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，可以提高靜水壓力。因此，可以得出這樣的結(jié)論：提高棒材的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，避免出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，在對(duì)合金成份工藝的研究與改進(jìn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬成形的原理，研究金屬變形的過(guò)程，突破模具設(shè)計(jì)的理念，改變模具的結(jié)構(gòu)，將會(huì)更有效地提高棒材產(chǎn)品的表面質(zhì)量和綜合力學(xué)性能。

[1]陳丁文，李飛慶，等. 化學(xué)成份和均勻化處理對(duì)6061鋁合金棒材粗晶環(huán)的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2014（02）: 47-48

[2]馮永平. 6061鋁合金工業(yè)材反向擠壓工藝[J]. 世界有色金屬，2012（02）：35-37

[3]鄧汝榮，曾蕾. 大斷面實(shí)心鋁型材導(dǎo)流模的設(shè)計(jì)分析[J].輕合金加工技術(shù)，2014（11）: 29-31

[4]謝建新，劉靜安. 金屬擠壓理論與技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，北京，2001：28-31，66-69

[5]胡鳳翔，于艷麗. 工程材料及熱處理[M].北京理工大學(xué)出版社，北京，2012:41-42

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（編輯：余東梅）

Study for Die Structure of Avoiding Coarse Grain in Aluminum Alloy Extruded Bars

WEI Jin-hui，HUANG Xue-mei，DENG Ru-rong
（Guangzhou Vocational College of Science and Technology，Guangzhou 510550）

Aluminum alloy bars are applied widely. The main problem for production process is coarse grain. The main methods to solve this problem are mainly improved by chemical composition and extrusion technique and introduction of homogenization treatment. Through analyzing the characteristics of the metal in the process of extrusion forming，it was introduced that coarse grain can be reduced or avoided by aid of deformation degree and change of metal by changing the die structure and improving pressure stress during forming. The practice shows that it is feasible.

aluminum alloy bar; coarse grain; die structure; the degree of deformation; pressure stress

TG375+.41

A

1005-4898（2016）02-0037-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.07

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金（“攀登計(jì)劃”專項(xiàng)資金，pdjh2016b0865）

韋錦輝（1994-），男，廣東湛江人，在校學(xué)生。

2015-07-02