反向擠壓鋁合金棒材尾端中心粗晶的成因分析

韓 嘯

(東北輕合金有限責任公司， 哈爾濱 150060)

許多國內外鋁合金生產和研發學者認為在反擠壓時，金屬流動均勻，制品周邊粗晶環薄，但實際生產研究時發現，反向擠壓的某些合金棒材尾部的中心部位容易出現延續很長一段的粗晶組織，這種粗晶組織與正向擠壓的粗晶環具有同樣的危害性。對這種中心粗晶組織的成因和形成機理未見到較系統的報導[1]。為提高成品率和產品質量，降低成本，本文著重對反擠壓時坯料金屬的流動情況、中心粗晶組織的成因和機理作一粗淺的探討，以尋求提高反擠壓制品表面質量和減少中心粗晶的方法，為進一步提高鋁合金反擠壓棒材質量提供參考。

1 實驗方法

結合生產實踐進行試驗，采用5 000t水壓機進行棒材反向擠壓，具體試驗條件見表1所示。

表1 LD5合金棒材反擠壓試驗條件

按表1條件進行LD5合金反擠壓后，在棒材尾部切取480mm長的試樣，沿試樣縱向中心剖開取其一半進行固溶淬火，固溶淬火制度為：520℃保溫2h后出爐水淬。對中心面銑面后采用20%氫氧化鈉水溶液浸蝕介質浸蝕10分鐘，再經清水沖洗后采用25%硝酸水溶液光洗，然后再進行低倍組織觀察。

2 實驗結果與討論

2.1 棒材尾部組織

LD5合金Ф120mm棒材尾部試樣經固溶淬火和蝕洗制備的低倍組織如圖1所示，從圖中可見，固溶淬火后棒材尾部試樣的中心部位沿漏斗形縮尾邊緣一直向前延伸有一特殊形狀的粗晶區。中心粗晶較棒材邊部的粗晶環大得多，一直延伸到整個試樣長度，同時還可以看到中心粗晶沿整個試樣長度方向的分布形狀、大小也是不一樣的，圖1所示漏斗形縮尾中的鑄造組織、中心粗晶及“核桃狀”組織是正向擠壓制品中所沒有的[2]，對圖中C處粗晶包著的“核桃狀”組織進行金相顯微組織觀察，分析結果如圖2所示。從圖2中可以看到，鑄態組織的枝晶網只有輕微的破斷，晶粒略顯扁長，說明這部分金屬只發生了很小的變形，基本保留著鑄造組織，由于這部分組織輪廓形狀酷似核桃，故稱作核桃狀組織。

圖1 LD5合金Ф120mm反擠壓棒材尾端低倍組織

圖2 圖1中C處的顯微組織

2.2 分析討論

2.2.1 中心粗晶組織

從金屬學理論可知，鋁合金與其它金屬材料一樣，經塑性變形后，位錯密度顯著升高，且隨變形程度的增大，位錯增值越迅速，當變形程度很小時，再結晶晶核較少，孕育期很長，熱處理后將形成粗大晶粒，如果把變形程度逐步減小到達到進行再結晶的最低變形程度，則再結晶后形成的晶粒最為粗大。導致再結晶的最小變形程度，通常稱作臨界變形度，當變形程度超過臨界變形度后，加熱保溫時就會發生再結晶。因此，反擠壓棒材中心粗晶的形成原因可以從變形程度的大小方面來分析[3,4]。

圖3為反擠壓時鑄錠中的金屬流動景象，可以看到，在變形區中鑄錠的橫格具有與金屬流動方向相反的特殊彎曲，由此決定了在擠壓后期靠近擠壓筒后堵頭的金屬與堵頭面發生強烈摩擦而變形，這種變形屬于變形程度較小的切應力作用下的形變，淬火后易形成中心粗晶組織。

圖3 反擠壓后期鑄錠金屬流動坐標網格變化示意圖

由于擠壓后期靠近擠壓筒后堵頭的金屬受堵頭的摩擦及冷卻作用，使得該處的金屬難以流動，從而形成了反擠壓后端難變形區，又稱為死區。由反擠壓時金屬流動特性可知，在死區與塑性流動區交界處存在著劇烈的滑移區，在劇烈滑移區內金屬遭到很大程度的破碎。圖2中A所指的區域就是劇烈滑移區，加上反擠壓時坯料較長，擠壓筒溫度較鑄錠溫度低，所以隨擠壓過程的進行，鑄錠變短，錠溫下降，導致擠壓筒后堵頭附近的金屬變形不均勻，擠壓力隨之增大，出現四周向中心流動的金屬補充不足現象，所以迫使靠近堵頭附近的金屬沿滑移區而變形被帶入棒材中心，這時流入制品中心的金屬變形程度達到臨界變形度，但相對流變區的金屬變形程度小得多，經淬火后形成中心粗晶。

由以上分析可知，在擠壓后期，流向制品中心的金屬達到一定變形程度時，制品淬火后形成粗大的晶粒組織。這種反擠壓棒材中心粗晶形成原因與正擠壓棒材淬火后粗晶環的形成原因大致相同，正擠壓時，金屬與擠壓筒壁摩擦再流經劇烈滑移區，淬火后便形成環狀粗晶組織；反擠壓時，同

樣由于金屬與堵頭摩擦，再流經劇烈滑移區，淬火后便形成中心粗晶。反擠壓后期由于金屬變形不均勻是導致反擠壓棒材中心粗晶形成的重要原因之一，但中心粗晶形成原因的更深入分析、其延伸長度及與合金成分關系等問題尚需進一步開展研究。

2.2.2 核桃狀組織

由圖2所示，組織的形成主要由于死區金屬受劇烈滑移區金屬的摩擦作用，且摩擦力的方向指向模孔，當摩擦力大于金屬與堵頭間黏附力時，這部分金屬就被劇烈滑移區的金屬整塊地夾持攜帶下來，流入到棒材中心部位，形成被粗晶包圍著的“核桃狀”鑄造組織。實踐調查證明：類似這種核桃狀鑄造組織，在大多數的反擠壓棒材中都存在[5,6]。

2.2.3 漏斗狀縮尾

漏斗狀縮尾是鋁合金棒材反擠壓過程中普遍存在的一種縮尾形式，它原屬于擠壓制品的一種加工組織缺陷，它與正擠壓不同，由于正擠壓殘料留得較厚，擠壓末期，不容易出現中心金屬流動補充不足的現象，因而不會形成漏斗狀縮尾，而對反擠壓來說，漏斗狀縮尾是反向擠壓棒材所共有的，只是在不同合金或不同規格棒材中分布長度有所不同，形成這種縮尾的原因是由于反擠壓時所留的殘料薄，于是在擠壓末期擠壓快終了時中心金屬就出現了嚴重的流動補充不足現象，迫使靠近堵頭角落處的臟金屬沿著堵頭向模孔做徑向流動，便形成了漏斗狀縮尾。

3 結論

(1)LD5合金反擠壓棒材尾部形成漏斗狀縮尾，縮尾邊緣有一特殊形狀的粗晶區，粗晶區主要包括中心粗晶區和“核桃狀”鑄造組織區。

(2)形成漏斗狀縮尾的主要原因是反擠壓時所留的殘料薄，擠壓末期中心金屬就出現嚴重的流動補充不足現象，迫使靠近堵頭角落處的臟金屬沿著堵頭向模孔徑向流動，便形成漏斗狀縮尾。

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