陸宏韜，王力顥，丁 昊，王 睿，楊 明

（營口忠旺鋁業(yè)有限公司，營口 115000）

0 前言

2024 合金因具有密度小、耐腐蝕、抗疲勞、斷裂韌性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，用于制成飛機(jī)壁板、承力結(jié)構(gòu)件等[1-2]。反擠壓是一種擠壓筒與擠壓軸無相對(duì)移動(dòng)的擠壓方式，相對(duì)正向擠壓可以降低30%~50%的擠壓力，從而可以擠壓變形抗力更大的高強(qiáng)鋁合金[3]。又由于反向擠壓時(shí)金屬流動(dòng)均勻，變形抗力小，同時(shí)摩擦熱小，使擠壓過程中的金屬溫升小，從而在提高擠壓速度時(shí)，不會(huì)由于金屬溫度的不斷提高而導(dǎo)致金屬進(jìn)入脆性區(qū)甚至達(dá)到熔點(diǎn)，在制品的表面上出現(xiàn)裂紋[4-5]。2024合金由于變形抗力大，使用正向擠壓機(jī)生產(chǎn)較為困難。目前國內(nèi)缺少2024 合金擠壓型材尤其是反擠壓型材的相關(guān)研究。本文通過對(duì)生產(chǎn)工藝的摸索與調(diào)試，成功生產(chǎn)出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的2024合金擠壓型材，得到了大量擠壓工藝及產(chǎn)品參數(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的2024 鋁合金鑄錠，使用Al-Ti-B 絲細(xì)化晶粒。鑄錠均勻化后車皮至?247 mm 進(jìn)行生產(chǎn)，使用ARL-3460 直讀光譜儀檢測(cè)鑄錠化學(xué)成分，結(jié)果見表1。合金成分中的Cu、Mg 會(huì)提高2024 合金的強(qiáng)度，但會(huì)降低延伸率，故而需將Cu、Mg 控制在一定范圍內(nèi)。Fe、Si為雜質(zhì)元素，將其含量控制在較低水平可以使合金獲得更好的塑性。Mn 在2024 合金中形成MnAl6，彌散的MnAl6粒子阻礙晶界的遷移，起到釘扎作用，提高合金的再結(jié)晶溫度。Mn 還能與Fe 形成（FeMn）Al6，減少Fe的有害作用[6]。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 擠壓工藝

使用20 MN臥式反向擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，產(chǎn)品為平模型材，擠壓比為28，厚度為20 mm。與正向擠壓不同，反向擠壓時(shí)由于鑄錠與擠壓筒之間沒有相對(duì)移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生大量摩擦熱致使鑄錠尾端溫度上升，故鑄錠不采用梯度加熱。由于2024 鋁合金擠壓變形抗力較大，為防止發(fā)生悶車，采用高溫低速擠壓。型材采用離線淬火，在線僅要求表面良好及組織無缺陷即可。采用水冷方式對(duì)型材進(jìn)行冷卻，由于采用低速生產(chǎn)，冷卻速率相對(duì)較低，不會(huì)使型材發(fā)生過大的扭擰變形。具體擠壓工藝見表2，型材表面情況見圖1。

表2 試驗(yàn)采用的擠壓工藝

圖1 型材表面情況

1.3 淬火與退火工藝

由于淬火溫度較低在線淬火難以獲得較高的力學(xué)性能指標(biāo)，2024 合金一般采用離線淬火方式來達(dá)到更高的力學(xué)性能，離線淬火制度為490 ℃×90 min。型材淬火后強(qiáng)度過高，不適合進(jìn)行彎曲，但因客戶要求對(duì)型材進(jìn)行彎曲加工，遂對(duì)型材進(jìn)行了退火處理。退火制度采用350 ℃×3 h，退火后型材彎曲性能良好，可以達(dá)到所需的彎曲角度。彎曲后使用立式淬火爐對(duì)型材進(jìn)行淬火處理。2024合金在淬火過程中會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使型材發(fā)生嚴(yán)重變形。所以，在型材淬火前，需要使用專用貨架對(duì)型材進(jìn)行多點(diǎn)固定，以保證型材具有所需的行位尺寸。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

使用日本島津AG-X100KN 電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)自然時(shí)效96 h 的型材按照ASTM B557 進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，其結(jié)果見表3。試樣采用在線水冷淬火即可獲得較好的力學(xué)性能指標(biāo)，再經(jīng)離線淬火后試樣的力學(xué)性能有進(jìn)一步的提升。試樣在退火后強(qiáng)度有大幅下降，斷后延伸率提高至易于彎折的水平。對(duì)彎折后的退火試樣進(jìn)行相同淬火制度（490 ℃×90 min）的淬火處理。淬火后試樣的性能與直接離線淬火試樣的接近，表明退火過程并未對(duì)合金組織產(chǎn)生影響且固溶過程進(jìn)行充分。

表3 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能

2.2 顯微組織

使用德國蔡司AX1O型顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌，結(jié)果顯示擠壓態(tài)試樣無皮質(zhì)組織，基體晶粒細(xì)密，達(dá)到GB/T 3246.1-2012 中晶粒度等級(jí)8級(jí)水平。經(jīng)退火后試樣晶粒稍有長(zhǎng)大，仍無皮質(zhì)層組織；經(jīng)離線淬火處理后，基體晶粒沒有明顯變化，但出現(xiàn)明顯粗晶層，厚度為1.3 mm 左右。退火后離線淬火試樣也發(fā)生了相同的變化，但粗晶層厚度較離線淬火試樣更薄，為0.478 mm。

圖2 試樣淬火后的皮質(zhì)層組織

3 分析與討論

3.1 生產(chǎn)工藝

對(duì)于擠壓型材的生產(chǎn)，通常依靠提高型材的擠壓速度來提高型材的產(chǎn)量，而擠壓機(jī)的擠壓力是限制型材擠壓速度的主要因素。正向擠壓中壓力最高點(diǎn)（即突破壓力）出現(xiàn)在擠壓前期，之后擠壓力會(huì)逐漸降低；而反擠壓中擠壓力隨擠壓過程的進(jìn)行逐漸增大，這是由于鑄錠隨擠壓過程的進(jìn)行其致密度逐漸提高，并產(chǎn)生加工硬化作用造成的[7]。所以擠壓速度也要根據(jù)擠壓末期的最大擠壓力進(jìn)行設(shè)置，在與設(shè)備最大壓力留有一定余量的條件下采用較大的速度。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，擠壓筒溫度在430~450 ℃時(shí)，制品速度為0.97 m/min時(shí)即發(fā)生開裂。而擠壓筒溫度在410~430 ℃時(shí)，制品速度達(dá)到1.6 m/min時(shí)仍沒有發(fā)生開裂。擠壓速度在1.5~1.6 m/min 時(shí)，尾段最大擠壓力達(dá)到280 bar，接近設(shè)定壓力上限，易造成設(shè)備損壞。因此，綜合生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全考慮，確定擠壓工藝參數(shù)為：模具和擠壓筒溫度為（420±10）℃，鑄錠溫度（400±10）℃，擠壓速度1.2~1.4 m/min。擠壓過程中擠壓筒的溫度一直處于上升趨勢(shì)，所以需要不斷調(diào)節(jié)擠壓筒使其處于合適的范圍。

3.2 表面裂紋

在2×××系鋁合金反擠壓過程中對(duì)擠壓筒溫度的控制至關(guān)重要。過高的擠壓筒溫度會(huì)導(dǎo)致型材邊角部位發(fā)生開裂現(xiàn)象，過低則會(huì)冷卻鑄錠表面，使壓力增大，導(dǎo)致擠壓難度增大。裂紋的產(chǎn)生是由于型材內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)也與型材的表面粗晶有關(guān)。鋁合金型材擠壓生產(chǎn)過程中的變形不均勻，金屬內(nèi)外層變形速度并不相同，產(chǎn)生的剪切變形會(huì)增大晶格畸變能，降低表面的再結(jié)晶溫度；同時(shí)，高的擠壓筒溫度使型材表面溫度提高，進(jìn)一步加劇表面再結(jié)晶。2024 鋁合金屬于硬質(zhì)合金，擠壓變形抗力大、產(chǎn)熱多，金屬與擠壓筒、模具工作帶摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量，增加表層金屬溫度。高的擠壓筒溫度進(jìn)一步擴(kuò)大金屬表面與心部的溫度差，增大了裂紋敏感性。高溫下的晶界結(jié)合強(qiáng)度較低，同時(shí)表面晶粒粗大導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度低，型材在空氣中淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了表面金屬的抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生裂紋[8]。

3.3 粗晶缺陷

2024 合金擠壓材易出現(xiàn)粗晶環(huán)缺陷，過深的粗晶環(huán)會(huì)降低合金力學(xué)性能及抗疲勞性能，影響產(chǎn)品使用壽命。在模具強(qiáng)度可以達(dá)到生產(chǎn)要求的前提下，通過縮短工作帶長(zhǎng)度，可以降低金屬通過模具時(shí)的摩擦，從而減少粗晶層的產(chǎn)生。合金成分方面，在一定范圍內(nèi)提高M(jìn)n 元素的含量，可以增加晶界處析出的MnAl6粒子，阻礙晶界的遷移，降低再結(jié)晶傾向。通過適當(dāng)降低均勻化處理的溫度和時(shí)間也可以減少粗晶環(huán)的形成[9]。本次試驗(yàn)中產(chǎn)生粗晶層是因?yàn)閿D壓過程中型材表皮變形量較大，晶粒嚴(yán)重破碎，并在離線淬火溫度下長(zhǎng)大變粗，最后形成粗晶層。粗晶層最厚處為1 mm 左右，在客戶可接受范圍內(nèi)，且擠壓力距設(shè)備上限仍有空間，可以采用適當(dāng)調(diào)整均勻化制度的方式進(jìn)一步降低粗晶層厚度。

4 結(jié)論

（1）通過擠壓生產(chǎn)試制，確定擠壓生產(chǎn)參數(shù)為：模具和擠壓筒溫度為（420±10）℃，鑄錠溫度（400±10）℃，擠壓速度1.2~1.4 m/min，這樣可以保證型材在表面良好的條件下達(dá)到較高的生產(chǎn)效率。

（2）較高的擠壓筒溫度會(huì)提高金屬表面溫度，增加金屬內(nèi)外層溫度差，加劇表面再結(jié)晶，從而降低表面金屬強(qiáng)度，提高裂紋敏感性。所以，擠壓過程應(yīng)嚴(yán)格控制擠壓筒溫度范圍。

（3）采用490 ℃×90 min 淬火工藝后，型材的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到390 MPa、抗拉強(qiáng)度560 MPa、延伸率15%。在350 ℃×3 h的退火制度下，型材軟化明顯，易于進(jìn)行機(jī)加工，退火后再淬火性能可以恢復(fù)到退火前水平。