模具結(jié)構(gòu)對(duì)鋁合金擠壓棒材產(chǎn)生粗晶的影響*

鄧汝榮　曾　蕾

(廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550)

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模具結(jié)構(gòu)對(duì)鋁合金擠壓棒材產(chǎn)生粗晶的影響*

鄧汝榮曾蕾

(廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 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)。通過(guò)分析擠壓過(guò)程中金屬成形的特點(diǎn)，介紹了實(shí)踐中改變模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬的變形程度和提高成形過(guò)程中的壓應(yīng)力的影響，從而影響粗晶的出現(xiàn)，并得出可以避免棒材產(chǎn)生粗晶的模具結(jié)構(gòu)，并經(jīng)實(shí)踐表明是可行的。

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

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。一方面，可作為結(jié)構(gòu)件制造的坯料或二次擠壓的坯料，因?yàn)榻?jīng)過(guò)二次擠壓后，合金的擠壓效應(yīng)將減小或在一定條件下幾乎完全消失[1]，這是擠壓棒材應(yīng)用廣泛的一個(gè)重要原因；另一方面，可直接作為結(jié)構(gòu)件用于相關(guān)行業(yè)或領(lǐng)域。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。影響棒材出現(xiàn)粗晶的因素有多方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者、工程師、技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究，但主要集中在鋁合金的擠壓工藝、合金的化學(xué)成分、均勻化處理方面[1]。目前鋁合金棒材的生產(chǎn)方式主要采用正擠壓方式[2]。但這些研究都忽視了成形過(guò)程對(duì)粗晶的影響這一因素，即擠壓變形程度及應(yīng)力對(duì)晶粒大小的影響，因?yàn)樵诎舨牡臄D壓過(guò)程中，一般而言，變形程度和擠壓比都較小，因此擠壓力是比較小的。從擠壓的角度上是很容易實(shí)現(xiàn)擠壓成形的。但實(shí)踐表明，金屬變形程度的大小、擠壓力的大小也是決定晶粒大小的重要因素，而模具結(jié)構(gòu)卻是影響變形程度和擠壓力的重要因素。因此，僅從工藝方面、成分方面進(jìn)行研究和分析棒材出現(xiàn)粗晶的因素是十分有限的，要全面了解粗晶出現(xiàn)的因素，就必須考慮模具方面的因素。本文通過(guò)介紹改變模具結(jié)構(gòu)的方式，從而改變變形程度、提高金屬成形的壓應(yīng)力從而避免粗晶的出現(xiàn)因而提高棒材的力學(xué)性能，另辟路徑，供同行參考。

表1　模具試驗(yàn)與結(jié)果對(duì)比方案

1　模具試驗(yàn)

1.1方案設(shè)計(jì)

以φ25 mm的棒材作為試驗(yàn)產(chǎn)品，分別在擠壓機(jī)能力為8 MN和18 MN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1～4#，模具的主要形式如下：

(1)1#模具：8 MN，單孔設(shè)計(jì)。

(2)2#模具：18 MN，單孔設(shè)計(jì)。

(3)3#模具：18 MN，雙孔設(shè)計(jì)。

(4)4#模具：18 MN，偏心單孔設(shè)計(jì)。

模孔布置如圖1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。

1.2結(jié)構(gòu)與結(jié)果分析

(1)1#與2#模具是目前使用最多的一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其模孔處于模具的中心并與擠壓筒的中心相重合。1#模具的擠壓系數(shù)小而2#模具的擠壓系數(shù)較大。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2所示。

采用這種方式，模具制造簡(jiǎn)單，模孔的加工可以達(dá)到很高的精度，但當(dāng)擠壓系數(shù)小于40時(shí)[1]，如1#模具，擠壓變形程度小，擠壓力小，其最大的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。原因是，一方面擠壓系數(shù)小，變形程度小，所產(chǎn)生的靜水壓力(三向壓應(yīng)力)小；另一方面，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)定性就越高，因而會(huì)在較低的溫度下開(kāi)始再結(jié)晶。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吞并的方式長(zhǎng)大，因此，造成產(chǎn)品出現(xiàn)粗晶的現(xiàn)象。當(dāng)然，擠壓系數(shù)與預(yù)變形程度的影響是有關(guān)聯(lián)的，當(dāng)擠壓系數(shù)較小時(shí)，預(yù)變形程度的影響才更明顯[1]。

所以，實(shí)踐中為了達(dá)到一定的擠壓系數(shù)就必須選用較大擠壓能力的機(jī)臺(tái)或較大的擠壓筒內(nèi)徑，這將增加擠壓的成本并且受設(shè)備條件的限制。同時(shí)，在擠壓過(guò)程中，容易出現(xiàn)棒與棒之間的接頭銜接不牢或變形的情況，每次擠壓終了，在切除擠壓壓余時(shí)，容易將棒材反向拉出或使已擠出的棒材出現(xiàn)晃動(dòng)而碰撞模具從而損傷棒材的表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)于擠壓系數(shù)大于40或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量與內(nèi)部組織要求不高的棒材也是適用的，或者所擠壓棒材作為結(jié)構(gòu)件的坯料而進(jìn)行二次擠壓加工時(shí)，也可采用這傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式。

(2)3#模具為雙模孔設(shè)計(jì)，而4#模具為單孔設(shè)計(jì)但模孔采用偏心設(shè)置．在于驗(yàn)證相同擠壓系數(shù)下不同機(jī)臺(tái)上擠壓、模孔位置形式不同條件下的晶粒度．

(3)晶粒度。每套模具上機(jī)擠壓后，截取長(zhǎng)度為1 m的樣品各4支，然后進(jìn)行晶粒度的檢測(cè)與比較。晶粒度的檢測(cè)方法，采用工廠(chǎng)通常的做法，簡(jiǎn)單而實(shí)用。即將樣品放入工廠(chǎng)氧化車(chē)間的酸洗槽中約25～30 min，取出在清洗槽中清洗干凈，就可以用目測(cè)的方法看出棒材樣品的晶粒度大小。

(4)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#模的模孔偏離了中心一定的距離，所以變形程度要增大。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，這也驗(yàn)證了有關(guān)資料介紹的壓應(yīng)力大的情況下，第二相粒子破碎，形成了大量彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，提高了合金的再結(jié)晶溫度，同時(shí)阻礙了再結(jié)晶的長(zhǎng)大，從而可以得到細(xì)化的晶粒。

2　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，設(shè)計(jì)并制造下例經(jīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的模具并投入擠壓生產(chǎn)。

2.1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。

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4～10 mm,階梯高度取15～25 mm,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，從而提高成形過(guò)程中的靜水壓力，因?yàn)椋瑪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。

2.2偏心式模孔結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是打破常規(guī)的模孔布置方式，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10 mm,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)，由于離模孔最遠(yuǎn)端的金屬進(jìn)入模孔的阻力大大提高了，這相當(dāng)于增大了擠壓筒的內(nèi)徑，間接地增大了擠壓系數(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，但由于模孔為圓形，所以加工的難度也不大。

2.3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1種形式是將模孔置于模具的中心，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)入模孔．如圖5所示。

采用這種結(jié)構(gòu)，模孔的加工可采用車(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2種形式是將模孔置于偏離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)入模孔，如圖6所示。

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)流孔尺寸要比模孔尺寸在10～20 mm。

這兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于擠壓系數(shù)小，而采用擠壓機(jī)能力小的擠壓機(jī)的生產(chǎn)方式更為合適，因?yàn)橥ㄟ^(guò)增大擠壓系數(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，一味追求擠壓機(jī)能力的增大在實(shí)際中也是不現(xiàn)實(shí)的。

2.4結(jié)果分析

按模具試驗(yàn)的方式對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的模具擠壓后的產(chǎn)品進(jìn)行取樣、晶粒檢測(cè)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的模具都能獲得與試驗(yàn)?zāi)＞?#相近的晶粒度，細(xì)小而均勻。

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)模具的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和改進(jìn)后的模具進(jìn)行擠壓顯示的結(jié)果可以得出，提高棒材的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，避免粗晶現(xiàn)象，在對(duì)合金成分工藝的研究與改進(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)更有效地減小或避免粗晶的產(chǎn)生，從而提高棒材產(chǎn)品的表面質(zhì)量和綜合力學(xué)性能。本設(shè)計(jì)已獲專(zhuān)利(ZL201420373028.5)。

[1]陳丁文，李飛慶．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(2): 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(2)：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].北京：冶金工業(yè)出版社，2001。

(編輯劉文元)

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The effect of die structure on the coarse grain in Al-bars

DENG Rurong，ZENG Lei

(Guangzhou Vocational College of Science and Technology，Guangzhou 510550, CHN)

The application of aluminum alloy bars are widely. The main problems in the production process is coarse grain. Through the analysis of the characteristics of the metal in the process of extrusion forming, introduces the effect of the die structure on the degree of deformation and press stress and the effect on the coarse grain. And obtained the die structures avoiding the coarse grain shows that it is feasible in practice, it can be used for reference.

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

TG76

B

鄧汝榮：男，1964生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殇X型材擠壓模設(shè)計(jì)與制造。

2015-06-02)

160138

*廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院資助科研項(xiàng)目(2015ZR14)