浅谈挤压速度对铝合金型材挤压的影响

陈锡广

（南南铝业股份有限公司，广西 南宁 530029）

0 引言

铝是一种产量最大的有色金属，密度低、延性好，应用广泛的战略物资。在200MPa以下的强度要求领域可以直接用纯铝材料，但为扩大应用领域需要提高强度和综合性能要求，在纯铝中添加其他金属元素称为铝合金。经常加入纯铝中的合金金属元素有镁、铜、硅、锌、锰等，和纯铝相比具有高强度、耐腐蚀、加工性好，适宜作为各类型的加工材和铸造件。铝合金作为国民经济中不可替代的材料，广泛应用于建材、交通、航天航空等民用和军工领域。采用挤压工艺方法生产铝合金型材，在节约材料和生产效率上都具有很大优点，因此在研究和生产领域都受到更多的关注和运用。

1 铝合金挤压成形技术概述

挤压成形技术是对挤压筒内金属坯料在一定速度施压下，金属从特定模孔中流出后能够得到所需要的尺寸与截面形状的一种塑性加工技术，图1为挤压成形技术示意图。金属的塑性加工技术还有轧制、锻压等方法，虽然挤压成形技术出现要比其他塑性加工技术要晚，但是有关挤压成形技术记载是在18世纪末期距今也有200多年的发展历史。随着工业化的高速发展，对铝合金挤压成形产品的尺寸范围扩大化、断面形状结构复杂化、性能均匀化和越来越高的精度要求，更加促进了挤压成形技术迅速发展。挤压过程中金属流动现象具有重要的研究意义，通过计算机技术实现对挤压过程中的仿真模拟，可以预测铝合金挤压成形过程中的速度场、温度场、金属流动规律、应变场、应力场等分布情况提供参考。

图1 挤压成形技术

2 铝合金挤压成形过程中的工艺参数

2.1 挤压速度

挤压速度能对铝合金挤压成形产品内部微观组织重结晶百分数和晶粒的位错角分布、大小、取向等产生极大影响，从而表现出铝合金产品的物理力学性能和质量方面受到直接影响。挤压速度过快造成壁厚部位金属流速的不均匀，致使组织不均匀分布的条纹缺陷。有研究不同挤压速度对铝合金型材组织条纹产生的影响规律表明，挤压速度如果大于12m/min使铝合金型材组织条纹缺陷开始变得严重，且在17m/min的挤压速度时组织条纹缺陷是最明显的。

2.2 挤压比

挤压比也是重要影响因素参数。挤压比变大时，由于真应变也变大以及变形时的温度升高，从而对铝合金挤压成形组织影响更加复杂。挤压比是许多研究学者的结论观点差异较大的一个影响参数。有些研究结论是挤压比增大铝合金平均晶粒尺寸也会变大，而有些研究结论是挤压比增大而其平均晶粒尺寸反而是减小，还有的结论是挤压比与铝合金平均晶粒尺寸关系在一定挤压比范围内呈现正相关，超出这一范围表现出不受影响。

2.3 挤压温度

挤压温度是挤压成形组织、密度分布、织构类型、产品性能的很大影响因素。随着挤压温度的升高，会使组织晶粒变大。有研究挤压温度对Al-Zn-Mg的铝合金力学性能影响，结果表明随着挤压温度提高，挤压材料的动态再结晶程度升高以及强度变大，但断裂韧性减低。另外还有研究挤压温度的变化在物理性能影响上的高硅铝合金材料，结论是伴随挤压温度升高，热膨胀系数、材料密度也都增大。

2.4 原始坯料均匀化处理

铝合金通常是采用半连续的铸造法成形，冷却速度快的原因，铝合金内部不可避免会产生偏析和生成大量不平衡凝固结晶，使材料塑性变差。因此，原始坯料均匀化处理是必要的工序，均匀化处理的优良程度直接影响挤压产品性能。

3 挤压速度的影响分析

3.1 挤压速度影响挤压力

挤压力的变化有三个阶段：第一阶段坯料产生弹性变形使得挤压力的急剧升高；第二阶段挤压变形的继续进行，坯料的流动阻力在进入工作带中继续增大并达到最大值；第三阶段坯料流出工作带，伴随着挤压力的开始下降逐渐保持在一个较稳定的值。挤压力随着挤压速度的增大而增大。例如7050铝合金，在挤压速度是15mm/min时挤压力为1000.3N，挤压速度加到75mm/min后挤压力达到1145.8N，因为挤压变形过程中挤压速度的提高时，金属的硬化速度比软化速度要快，造成变形抗力增大，最终导致挤压力是随着挤压速度的增大而升高。

3.2 挤压速度影响应变场、平均晶粒大小分布、温度场

通过数值模拟技术与实验相结合的方式，分析挤压过程中的应变场、平均晶粒大小分布、温度场各场量规律。应变场方面，当挤压速度在15mm/min时等效应变分布是最不均匀的，而当挤压速度的不断提高等效应变分布呈现出逐渐均匀，速度在45mm/min时等效应变分布呈现最均匀，这也能够说明45mm/min晶粒细化效果是理想的。平均晶粒大小分布方面的影响，铝合金的动态再结晶通常是在应变大于其极限应变时发生，再结晶的过程中因为挤压速度的不同会使平均晶粒大小分布的均匀性受到影响。影响温度场方面，在挤压过程中由于坯料产生剧烈变形而产生大量的变形热，温度是逐渐升高的，坯料最高温度都是出现在棒料成形前段部位在这部位的材料变形最严重，坯料与模具摩擦也最严重而产生大量的热量，因此温度是最高。如图2所示是不同挤压速度的坯料最高温度关系，随着挤压速度的增加，铝合金变形剧烈程度、挤压力增加，造成摩擦热的增加，使温度升高。

图2 不同挤压速度的坯料最高温度关系

3.3 挤压速度影响组织演变

挤压后通过观察铝合金断面的显微组织发现，主要由等轴晶粒组成且晶粒内部还出现比较多亚晶界，在随着挤压速度逐渐增大过程中晶粒内部亚晶界数量呈现出先增后减的特征，这是由于铝合金在变形的过程中层错能比较高使晶粒发生了动态反复产生的。挤压速度的增大，变形铝合金产生的动能随着增大，铝合金材料和模具间摩擦力变大，模具工作带出料口处金属温度急剧攀升，这将更有利于晶粒的二次长大，从而导致晶粒尺寸变大。

3.4 挤压速度影响产品硬度

对于铝合金的沉淀强化、固溶强化、位错强化以及细晶强化都是影响铝合金微观拉伸性能和硬度的重要因素。在挤压速度的逐渐增大，变形后铝合金的显微硬度也是先增后减，在挤压速度为45mm/min的时候，纵、横断面的显微硬度值均达了最大值，分别是111.8HV、95.6HV；反而在挤压速度提高到75mm/min时，纵、横断面的显微硬度值是最小的，分别为94.2HV和83.9HV。从挤压铝合金横截面来分析，在不同速度挤压变形后的铝合金，其平均晶粒尺寸是减小的，随着挤压速度进一步提高，平均晶粒尺寸先减后增，而铝合金变形抗力增大，铝合金的硬度升高。从这里也得出一个规律，挤出铝合金横断面硬度和平均晶粒尺寸变化规律趋同，更进一步证明了铝合金组织平均晶粒尺寸与分布是影响材料显微硬度值的。

4 结语

综上所述，挤压速度对铝合金型材挤压成形的影响是多方面的，如影响挤压力，应变场、平均晶粒大小分布、温度场，铝合金成形组织演变，产品硬度等方面。在现代装备高效、节能、环保发展趋势下，通过提高挤压速度控制的精度影响铝合金挤压成形性能因素，既可以提高铝合金生产效率和产品质量，又能达到高效节能的经济效益。