基于成型7系硬鋁合金的模具結構研究

王 強，黎 曉，董晶飛，朱 珠，李耀成，李英嘉，張樂樂

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

0 引 言

7系鋁合金具有高強度、低密度和良好的工藝性能，被廣泛應用于航空航天、交通運輸和軍事裝備等領域。由于7系鋁合金的強度高，擠壓、熱處理和機械加工等工藝都較復雜，其特殊制件的生產難度較大，生產加工技術研究在國際鋁合金擠壓技術領域尤為重要，尤其是在7系鋁合金擠壓模的制造技術與結構設計研發領域。隨著航空航天與軌道交通等事業的快速發展，對于這些領域的7系鋁合金產品需求形成了龐大的市場，發展前景廣闊[1-3]。

7系鋁合金屬于Al-Zn-Mg系列合金，Zn、Mg為主要合金元素，有時還加入少量Cu、Mn、Cr、Ti等元素起強化和抗腐蝕作用[4,5]。7系鋁合金屬于高強度硬鋁合金，熱擠壓時在模具內流動性差，容易產生較大的擠壓力以至于成型制件出現缺陷、成型不足甚至堵模的情況，同時7系鋁合金制件在模具的融合口位置易出現焊合不良、局部晶粒粗大及表面組織分布不均等問題，導致在擠壓生產時對模具結構的要求更高，否則制件成型質量、模具使用壽命、生產成本以及生產效率等都難以得到保證。

7系鋁合金的擠壓模設計和成型制件質量控制等關鍵問題迫切需要優化改良，而優化的擠壓模設計方法來源于對擠壓過程中劇烈變形下材料的硬化機理、變形方式、流動規律、工藝參數以及制件缺陷等的認識。因此，現通過研究7系鋁合金材料的硬化機理、材料分類、成型制件缺陷以及模具結構等，提出模具設計的優化方案，為7系鋁合金擠壓模的優化設計提供理論支撐。

1 7系鋁合金的硬化機理及分類

7系鋁合金主要化學成分如表1所示，其強化相主要是η(MgZn2)相和T(Al2Mg3Zn3)相。η相和T相高溫時溶解于α固溶體（Fe3C），冷卻到低溫后產生強烈的時效強化效應，使合金硬度提高。加入Cu可改善合金的抗應力腐蝕性能，形成的S(Al2CuMg)相和θ(CuAl2)相起補充強化作用，另外還可以提高沉淀強化相的彌散度，消除晶界網狀脆性相，改善晶界腐蝕傾向[6-8]。

表1 7系鋁合金化學成分 質量分數

常用的工業7系鋁合金根據其合金元素含量和抗拉強度不同可分為四大類。

（1）第一類合金的典型代表為7003鋁合金，屬于低Mg型7系鋁合金，Mg含量在0.5%～1.0%，Cu含量約為0.2%，由于Mg含量較低，由MgZn2引起的強化效應較弱，抗拉強度較低，T5狀態（由高溫成型過程冷卻后人工時效的狀態）下抗拉強度在315 MPa以上，延伸率為10%～12%。

（2）第二類合金的典型代表為7005/7004鋁合金，屬于高Mg型7系鋁合金，Mg含量在1.0%～1.8%，由于Mg含量的增加，由MgZn2引起的強化效果增強，T6狀態（固溶熱處理后人工時效的狀態）下抗拉強度在370 MPa以上，但塑性有所下降，延伸率僅為10%左右。

（3）第三類合金的典型代表為7050/7075鋁合金，屬于高Mg高Cu型7系鋁合金，Mg含量在1.9%～2.6%，Cu含量在1.2%～2.6%，由于Mg和Cu的含量高，S(Al2CuMg)相和θ(CuAl2)相的強化作用增強，起主導強化作用，使合金的強化效果顯著，T6和T7（固溶熱處理后進行過時效的狀態）狀態下抗拉強度在550 MPa以上，但延伸率低于10%。

（4）第四類合金的典型代表為7001鋁合金，屬于高Zn高Mg高Cu型7系鋁合金，Mg含量在2.2%～2.9%，Zn含量在6.8%～7.5%，Cu含量在1.2%～2.0%，由于Mg、Zn和Cu的含量高，使多種強化相并存，合金的強化效果達到最高，T6狀態下抗拉強度在650 MPa以上。

工業上常用于擠壓生產的7系鋁合金包括7003、7005、7020和7N01。其中7003的抗拉強度在315 MPa，屬于可擠壓型常規硬鋁合金，擠壓時金屬流動較困難，需要型材具有一定的壁厚。7005、7020和7N01的抗拉強度更高，一般情況下用于擠壓大壁厚型材或管材和棒材。

2 7系鋁合金擠壓制件的典型缺陷

以7003鋁合金擠壓型材為例，熱處理狀態為T6，統計其由于不同的缺陷或擠壓問題導致卸模維修的比例，如圖1所示。該型材擠壓生產期間總計卸模57次，大致可以分為7類，其中成型制件尺寸問題為卸模的主要原因，占據61.52%，尤其是尺寸偏小問題。其次是型材的縮孔和劃傷問題，因此在7系鋁合金擠壓時最應注意這三類問題。

圖1 7系鋁合金制件缺陷統計

（1）尺寸問題是指制件在拉深校直之后，經過質檢測量其實際尺寸小于圖紙要求的最小偏差，7系鋁合金大部分制件一般要求在T6狀態下供貨。由于固溶處理需要加熱至高溫后迅速冷卻，對冷卻速率的要求較高，一般情況下冷卻方式為水冷、水霧冷卻或強風冷卻。強冷條件下，厚度較薄的型材會發生變形，特別是存在開口的型材，導致制件的平面度和尺寸難以達到要求。

（2）劃傷是型材與模具零件之間或型材相互之間相接觸或摩擦產生的傷痕，其特征為沿擠壓方向平行的直線，形成連續或半連續的溝狀傷痕[9]。

（3）縮孔是鑄錠表面層和附著于擠壓筒內的污物或潤滑劑等，在擠壓后期流入制件內部所形成的缺陷。縮孔主要位于擠壓制件尾端，是嚴重破壞金屬組織連續性的缺陷。鋁合金正向擠壓制件多表現為環形縮孔，反向擠壓制件多表現為中心漏斗狀（空穴）縮孔。因為縮孔是內部缺陷，所以采用低倍試片腐蝕后觀察其斷面才可發現[10]。

3 7系鋁合金模具結構研究

7系鋁合金由于強度較高、流動性較差，模具設計時需要針對該特點設計相應的結構，以改善合金在模具內的流動性和成型性。現采用CAD和Solid-Works設計軟件，從二維平面設計和三維建模2個角度展示優化前后的模具結構設計。

3.1 制件尺寸問題

7系鋁合金制件在熱處理后易變形且尺寸偏小，因此在模具設計時應針對變形的尺寸進行預處理。制件變形包含2個方面：①對于存在壁厚差的制件，冷卻時由于壁厚不同，冷卻速度存在差異，壁厚薄的部位冷卻快，壁厚厚的部位冷卻慢，導致制件出現變形，因此模具設計時需對壁厚薄的模孔部位進行預變形，即調整模孔的放量大小、凹凸程度以及平面度，使出料時在預變形的基礎上抵消熱處理后的變形；②在強冷的作用下制件發生變形而尺寸變小，針對該問題可以在模具設計時加大模孔的放量，在原有的放量基礎上增加0.2%～0.6%，使模孔有更充分的彈性變形空間，且制件變形后的尺寸公差也能得以保證。

3.2 制件縮孔問題

7系鋁合金在截面壁厚較厚的情況下，擠壓后期模具內易出現供料不足，從而產生縮孔缺陷。為了降低大壁厚制件縮孔缺陷，模具零件加工時可將焊合室加工成錐度斜面，使焊合室內形成一個可自然流動的角度，材料可以更順暢地向模孔移動，進而減緩擠壓結束時變形區模具芯部的金屬供應不足，達到減少縮孔缺陷的目的。模具結構設計如圖2和圖3所示。

圖2 模具二維結構

圖3 模具三維結構

該模具設計可以改善厚壁厚制件的縮孔現象，但由于焊合室為錐度斜面，使焊合室內部流動金屬的壓力增大，導致模具受到的擠壓力增大，模具易損壞或堵模，因此在模具設計時還應考慮模具所能承受擠壓力的峰值。焊合室的錐面角度不宜過大，25°左右即可，并盡量降低擠壓速度和適當提高材料溫度以降低擠壓力。

3.3 7系鋁合金堵模問題

由于7系鋁合金強度較高，在鋁棒與模具零件接觸處及模具入料口處材料流動困難，擠壓力較大，設計不合理易造成堵模或導致模具分流橋開裂直接報廢。因此模具入料口處應盡量促進金屬的流動，如在入料口處設計促流角、入料口整體下沉或入料口處的分流橋設計成圓角形，如圖4和圖5所示。

圖4 模具入料口優化二維結構

圖5 模具入料口優化三維結構

模具入料口處設計15°（或10°）的促流角，使其成為斜面，提高金屬流動性，同時在保證分流橋整體的強度下適當減小水滴角度，這種方法可以增大分流孔內部的容積，使分流孔內的合金流動性增強，能更好地在焊合室內匯聚，減小焊合線和擠壓力。

3.4 制件刮料問題

7系鋁合金的制件截面壁厚較厚，最小為2 mm以上，部分截面壁厚達到3～4 mm以上。制件壁厚較厚時模孔彈性變形增大，在出料時制件易與空刀接觸造成刮料。因此將工作帶后的空刀設計一定斜面，以防止制件與空刀接觸而造成表面劃傷，該模具空刀處設計了12°斜面，如圖6和圖7所示。

圖6 模具出料口空刀處優化二維結構

圖7 模具出料口空刀處優化三維結構

3.5 模具研發后制件數據

該模具經過研發，后續生產材質仍為7003，熱處理狀態為T6，在整個生產周期中，由于模具結構進行了優化，未出現損壞而卸模現象。因制件尺寸問題而卸模的比例大幅降低。縮孔和劃傷問題改善顯著，制件合格率提高至57%，如圖8所示。

圖8 7系鋁合金模具優化后制件缺陷統計

4 結束語

針對7系鋁合金制件，從合金的硬化機理和流動規律入手，分析其在熱擠壓時產生缺陷的原因，并提出7系鋁合金擠壓模優化方法，得到如下結論。

（1）7系鋁合金的強化相主要是η(MgZn2)相和T(Al2Mg3Zn3)相，常用的工業7系鋁合金根據其合金元素含量和抗拉強度不同分為四大類，工業上常用于擠壓生產的7系鋁合金包括7003、7005、7020和7N01。

（2）尺寸問題是7系鋁合金制件的主要缺陷，其次是縮孔和劃傷以及堵模問題。

（3）針對7系鋁合金制件的尺寸問題、縮孔、堵模以及制件刮料問題進行模具結構優化，提出了4種模具優化方案，不僅為7系鋁合金設計提供了新思路，同時也延長了7系鋁合金擠壓模的使用壽命，并提高了制件的成品率。