正、反擠壓工業(yè)鋁型材的組織性能

由于工業(yè)鋁型材反向擠壓鑄錠和擠壓筒之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，金屬流動(dòng)減小了不均勻性，使得在組織上顯著地減小了粗晶環(huán)，減小了不同部位間的性能差異。

由圖可以看出，反向擠壓工業(yè)鋁型材的粗晶環(huán)較正向擠壓的淺，晶粒尺寸小。正擠壓的粗晶環(huán)濃度達(dá)26mm，粗晶晶粒達(dá)7.5級(jí)，沿長(zhǎng)度方向分布最長(zhǎng)可達(dá)3m以上；反擠壓的深度不大于15mm，粗晶晶粒為3級(jí)，沿長(zhǎng)度方向分布為600mm左右。反擠壓工業(yè)鋁型材晶粒組織明顯改善，力學(xué)性能的均勻性隨之明顯提高。

表7-13  正、反擠壓2A12工業(yè)鋁型材棒材各部位的力學(xué)性能

正、反擠壓工業(yè)鋁型材組織與力學(xué)性能的這些差異，是由于擠壓過程中金屬變形情況的不同引起的。在正向擠壓過程中，金屬的變形程度是由型材的中心向外層，由頭部向尾部逐漸增加的。工業(yè)鋁型材在斷面上變形的不均勻性，繼而發(fā)生組織上的不均勻性，是由于外層金屬在擠壓筒內(nèi)受到摩擦阻力的作用而產(chǎn)生附加剪切變形，使外層金屬遭到較大破碎的結(jié)果。這兩種流動(dòng)變形，外摩擦作用非常強(qiáng)烈，外層金屬在擠壓過程中受到連續(xù)不斷的剪切變形，隨著擠壓過程的推進(jìn)，鑄錠長(zhǎng)度減小，斷面上的剪切變形區(qū)不斷向錠坯中心擴(kuò)大，從而使鑄錠晶粒遭到破碎的程度，由工業(yè)鋁型材前端向后端逐漸增大。有些合金在后續(xù)的淬火過程中，由于前端變形小，形成再結(jié)晶核心少，晶粒較粗大；后端變形大，內(nèi)能高，形成的再結(jié)晶核心多，晶粒較細(xì)小，致使前端強(qiáng)度性能低，伸長(zhǎng)率高；后端強(qiáng)度性能高，伸長(zhǎng)度低。但是當(dāng)擠壓的棒材直徑或工業(yè)鋁型材壁厚較大時(shí)，特別是2A50、2A12、7A04等合金，后端組織發(fā)生再結(jié)晶，產(chǎn)生粗晶環(huán)；破碎程度越厲害，產(chǎn)生的粗晶環(huán)越嚴(yán)重，對(duì)力學(xué)性能的影響也越明顯。關(guān)于粗晶環(huán)的形成機(jī)制，將在后面章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)討論。

但是工業(yè)鋁型材在反向擠壓中，情況與正向擠壓有很大的不同。如前面所述，反向擠壓的基本特點(diǎn)是錠坯金屬與擠壓筒壁之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，塑性變形區(qū)集中在模孔附近，其變形區(qū)高度不大于0.3Do。由于塑性變形區(qū)之外的金屬與筒壁間無(wú)摩擦，受力條件為三向等壓應(yīng)力狀態(tài)。擠壓時(shí)，塑性變形區(qū)中金屬與筒壁間的摩擦力的作用方向與金屬流出模孔的方向相同，故其死區(qū)很小，因而出現(xiàn)了兩個(gè)問題：（1）死區(qū)不能阻留錠坯表面層的金屬流向工業(yè)鋁型材的表面層。24.5MN反向擠壓機(jī)生產(chǎn)2A11?50mm棒材時(shí)，可以看到棒材表面上殘存的鑄塊車削時(shí)的螺旋刀痕。（2）塑性變形只集中在模孔附近，使工業(yè)鋁型材的變形均勻性增加，特別是沿長(zhǎng)度方向更為明顯，使得工業(yè)鋁型材組織得到改善，粗晶環(huán)顯著減小，力學(xué)性能的差異明顯減輕。

反向擠壓工業(yè)鋁型材的組織、性能得到明顯改善是毫無(wú)疑義的，但是，工業(yè)鋁型材的尾端仍然存在一定的粗晶環(huán)組織，并在一定條件下工業(yè)鋁型材中心還出現(xiàn)了粗晶環(huán)組織。當(dāng)然反擠壓制品的粗晶環(huán)與正擠壓的比較，深度淺，晶粒細(xì)，長(zhǎng)度短，尾端切去600mm左右即可滿足要求；而正擠壓型材需切去1500mm，有時(shí)甚至需切去3000mm以上才能滿足需要。

反擠壓工業(yè)鋁型材產(chǎn)生粗晶環(huán)、粗晶芯組織的原因，是因?yàn)槠侥D壓的棒材較大，擠壓系數(shù)較小，存在一定的死區(qū)。在死區(qū)的交界面處產(chǎn)生了剪切變形。隨著擠壓過程的進(jìn)行，錠坯越來(lái)越短，能補(bǔ)充的金屬量越來(lái)越少。當(dāng)金屬消耗至一定程度時(shí)，發(fā)生剪切變形的死區(qū)交界層逐漸補(bǔ)充流向模孔的外層；中心層多屬也嚴(yán)重不足，致使一部分金屬克服堵頭或擠壓墊的摩擦流入模孔中心。流入中心和流入周邊部分的金屬都受到了劇烈的剪切應(yīng)力，發(fā)生了明顯的剪切變形，從而在熱處理過程中形成了粗晶環(huán)和粗晶芯組織。但是，與正向擠壓相比，死區(qū)小得多，所以其粗晶環(huán)的深度和存在的長(zhǎng)度都比較小；又因其晶粒破碎沒有正向擠壓嚴(yán)重，故粗晶環(huán)和粗晶芯的晶粒都比較細(xì)小。

同時(shí)，生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，工業(yè)鋁型材反擠壓產(chǎn)生的粗晶芯隨著合金的不同而不同。2A11、2A50合金出現(xiàn)粗晶芯；7A04合金出現(xiàn)細(xì)晶芯；2A12合金或出現(xiàn)粗晶芯，或出現(xiàn)細(xì)晶芯。粗晶芯分布于中心縮尾（反擠壓留下的壓余較少，中心金屬補(bǔ)充不足，形成集中縮尾），兩側(cè)向前延伸，逐漸縮小直至消失，長(zhǎng)度一般不超過600mm，其晶粒與粗晶環(huán)的晶粒相近。

細(xì)晶芯的出現(xiàn)可能是7A04合金變形抗力大，發(fā)生的剪切變形相對(duì)較小，克服堵頭或擠壓墊片摩擦向中部流動(dòng)的量也比較少，其晶破碎的程度不如2A50、2A11合金嚴(yán)重，在進(jìn)行熱處理時(shí)，沒有發(fā)生二次再結(jié)晶，因而出現(xiàn)晶粒更細(xì)的細(xì)晶民間組織。

2A12合金的變形抗力介于2A50和7A04合金之間，因此其工業(yè)鋁型材中心部分晶粒破碎的程度也介于二者之間，故在淬火時(shí)，有可能發(fā)生二次再結(jié)晶成為粗晶芯，也可能不發(fā)生二次再結(jié)晶而呈細(xì)晶芯組織。