铝合金挤压型材表面缺陷分析
铝 加 工 , , 翅
铝合金挤压 型材表面缺陷分析
刘 静 安 张学 惠
【提要 】 在大量试验和 现场观察的 荃础 上 对铝合金挤 压表面形 成的过程 和 机理 进行 了系
统 的分析 并 在此基础上 对几种典 型铝 合金挤 压时主 要表面缺陷的产生 原 因和 各种机 理 进 行了探
讨 恨据生产实 践 对在挤 压生产 中铝 合金型 材最 常见 的 化学 成分 、 冶金质量 、 内部组织 和 力学性 能 、
内外表 面质量 以 及 尺寸与 形状精度等方面 的 主要缺 陷及其产生 的原 因和 处理方 法也进 行 了全 面 系
统 的介绍和 分析 。
关键词 铝 合金 挤压型 材 缺 陷分析
挤 压表面形成机理概述
铝 合金挤 压 产 品 必须 同时满足几 何形状
与尺 寸 精度 、 内部组织 与性 能 、 化学成 分与 冶
金 质量 、 内外表 面等 质量 指 标 的要 求 。 这些要
求 对 不 同产 品 的重 要 性 是 各不相 同的 , 但 大
部 分 产 品 对外表 美观 的要 求都 相 当重 视 , 特
别是 挤 压 象 系合 金等外观要 求很 高
的产 品来说 更是 如此 。 因此 , 研 究铝合 金挤 压
时表 面形 成机理 及表 面缺 陷的成 因是 十分 必
要 的 。
在挤 压过 程 中形 成的表面缺 陷基 本上 可
分 为 四 大 类 裂纹 或 撕裂 、 粘 着和 模具 划 痕 、
气泡 或气孔 、 斑 纹 。 其 主 要成 因可能有 在熔
炼 与 铸造 过 程 中遗 留下来并进 一步扩 展 的冶
金 缺 陷 挤 压 过 程 中的 温 度 一 速 度 、 应 力 一 应
变 、 工 艺润 滑等参数控制失调 工模具 的设 计
与制造 不佳 等川 。
裂 纹 和 撕 裂 所 涉 及 到 的 两 个 主 要 机 理
是 快速拉裂和 熔 化破裂 。 快速拉 裂是 指 当挤
压速度 超 过 某一极 限值时在 产品表面 产生局
刘静 安 西 南铝 加 工 厂 , 夫九 龙 坟 区 西 彭镇
收鹅 日 期 一 一
部 拉 伸断 裂 的 现象 , 其根 本 原 因是 当金 属 流
经 模子工 作带 时 , 产 品表 面 产 生 的摩 擦拉 应
力大于 该条件 下 的屈 服 应力而 迫使 产 品表 面
周期性 断 裂 。 产 生快速 拉裂 的 直接 原 因是挤
压 时温度 不稳 定 , 或者 坯 料温 度 过 高 , 或者 挤
压速 度 过 快 , 或 者 是 变形 热 过 大 而 未 能 及 时
散失等 。 在挤 压 和 了 了 等 合金 时最 易
出现表 面快速 拉裂 缺 陷 。 熔 化断裂缺 陷 的外
观 酷 似 杉 树 皮 , 故 有 时 亦 称 之 为 “ 冷 衫 状 缺
陷 ” , 是在 挤 压具 有 低熔 点共 晶相 的宇航 结 构
铝合金时 最常 见的表 面 缺 陷 。 它主要是 由于
在挤 压时 产 品 的表 面温度超 过 了合金 的液相
线或 低熔 点二 次相 的熔 点而 造 成 的比 ‘丁。
粘着 和 模 具 划 痕 是 典 型 挤 玉 合 金 即
合 金 挤 压 时 易 观 察 到 的 最 严 重 的缺
陷 。 其形 成机理 尚有争议 。 有些 资料 的观 点
是 在挤 压 时 模 具 工 作带 表 面 的 出 口 侧粘 附
着有 一 层 被挤 压金 属 的薄 膜 , 在 继 续挤 压 的
情况 下 , 可 使铸锭金属 中的粗 大 的沉淀物 化
合物 、 夹 渣 、 第二 相 等 和 氧 化膜 位子 聚 集 在
一 起 , 它 们对 挤 压 型材表 面 形 成剪切 力而 导
致 出现深度 为 , 长 度
的纵 向切 割 波 痕 , 使一 些 铝 的碎 片附 着 在 型
材表 面 而形 成所谓 的粘着 沉 积 。 一般 认 为这
, , 撇 铝 加 工
种 缺 陷是 由于 铸 锭 中 含有 夹 杂 物 、 粗大 化合
物 或 氧化 膜 , 铸 锭 均 匀 化 处理 不 当和 模具 质
量不 良等原因所 引起 的 , 并 且认 为 , 它对 挤压
温 度 的变化非常敏 感 。 为 消除这 一缺 陷 已采
取 的措施有 对 模 具 表 面 进 行 有 效 的氮 化改
质 处 理 或 选 用 不 易 粘 着 的 模 具 材 料 如
, 硬 质合 金 等模 具 材 料 ‘ 〕 在 模 具 和
坯料 前 插 入 含硼 的导 板川
使 用惰性 气 体 防止 产 品 表 面 氧 化 使 用液
氮 、 气氮或 水冷 却 的模具等 。 也有 的人认为 ,
模 具划 痕是 由于 坯 料与模 具工 作带表 面相互
作 用的结 果 , 但是 在 使 用抛光 极 好 的模 具而
且 在挤 压时注入 润 滑剂 以 防止铝 在表面聚集
时 也 会观 察到这 种缺 陷 。 总 的 来说 , 采取一些
措 施 后 型 材表 面 的模 具 划 痕缺 陷大 为减 少 ,
并 且 可能 形 成一 种 所 谓 的 “ 显 微 模具 划 痕 ” ,
这种 缺 陷普通认 为是挤 压操作造 成的 。
一 般 来 说 , 气 泡 缺 陷 只 有在 进 行 润 滑 挤
压 时才会观察到 由于 金属死 区的形 成 , 润 滑
剂 被挤 入 产 品的皮 下 层 , 在 挤 压过程 中 , 随 着
温度 的升高 , 润 滑剂变 成 气体 , 从而使其表 面
形 成 气 泡 。 气泡缺 陷还可能 由坯 料 内的气孔
聚 集 和 表 面 氧化 等 原 因 所 引起 , 其 行 为与皮
下层 形 成气泡相类似 。 因此 , 挤 压铝合金型材
时通 常都使 用平 面模 具 , 在 挤 压 航 空 航天 铝
合金材 料时 , 铸 锭表 面要 车皮和 修整
在 一 般情 况 下 , 型 材 表 面 斑 纹 也 只有 在
阳极 化 后才会 出现 。 试验结 果表 明 , 它是 由于
未 溶 解 的含 铁组 分 扩 散 到 坯 料表 层 所 致 , 这
种 缺 陷可能是 由于挤压 型 材与愉 出辊道 的冷
表 面接 触 , 而 引起 皮 下 层 的快速 局部 沉淀 而
形成 的 。 使 用 充分均匀 化 的洁 净坯料 可消除
这种缺 陷 。
几种典 型 铝 合金挤压表面
缺 陷成 因分析
系 合金
以 合金 为例 。 合 金 挤 压时 形
成 的 典 型 裂 纹 与轴线 成 。角 , 呈 周 期 性 分
布 。 经试验 分析 , 裂纹 区 的材 料 组织过热 十分
明显 , 表 层 为粗大 晶粒 , 而 内部 由再结 晶组织
转 变为 细 晶粒 组 织 , 在 晶界 存 在 一 个 易熔 金
属 的连续 网络 。 如 果 铸锭加热温 度 为 ℃ ,
而 挤 压 速 度 较 快 , 在 挤 压 过 程 中 温 升 超 过
℃时 , 合金 中的低熔 点相就 可能熔 化 , 但这
不 是 引 起 挤 压 型 材 出 口 温 度 为 ℃ 略 低
于 的共 晶化合物的熔 点 时观察到 的表
面 裂纹 的先 决条 件 。 由于在高 温高 速 条 件下
挤 压 时 , 材 料 表 面 的温度 剧 增 而 且大 大高 于
心部温 度 , 使 屈 服强 度大 为 降低 。 当金属 从模
孔 流 出瞬 间 , 由于三 向压 应 力状 态 改 变 而 使
材 料 的塑 性大 为损失 , 在 这种 较 低 的屈 服 强
度 与有 限 的塑 性 相结 合 的条 件 下 , 模具工 作
带 表 面 的 摩擦 拉 应 力 最 易 引起 产 品 表 面 拉
裂 。
系合 金
以 合金 为例 。 在 合金挤 压时
观察到 了与 合金挤 压 时相类 似 的裂纹 。
裂纹 与撕 裂 不 会 同时 发 生 , 看 来 它 们是 由不
同 的机 理 所 引起 的 , 在 入 的 挤 压 型 材 的
尾 端 也 观 察 到 了裂纹 , 这 可 能 是 挤 压速 度 较
快 , 温 升 较 大 , 引 起 相 应 的 屈 服 强 度 降 低 所
致 。 在接近表面 层 的型材组 织 为粗 晶粒和 细
晶粒混 合 物 , 细 晶粒 产生于材 料的剪切 带 , 而
粗 晶粒 则 产 生 于变形较 小的铸 锭 背面 。 当挤
压 过 程 接 近 结 束 时 , 这 两 种 不 同 的组 织 同 时
受到 挤 压 , 因而在 界面断 裂压 ’“ 。
系合金
以 合金 为例 。 合金 中存 在 一
个低熔 点 相 , 因而 对热脆性 特别 敏 感 , 而且
最 高挤 压温 度 不 得超过 〔” · ’幻 。 当铸 锭
温 度 为 , 挤 压 速 度 为 分 时 ,
合金 型 材表 面 由于 严重 重熔而 引起 冷杉树 状
缺 陷 。 在变形 时 , 由于温升使挤 压温 度超 过 了
℃ , 从 而 使挤压 型材 产生 了周期性 裂纹 。
铝 加 工 , 义
系 合金
以 为 例 。 是 一种 最 典 型 的挤
压 合金 , 也是 用途 最 广泛 的一种 合金 材料 , 主
要 用于 电子 、 电器 、 家 电 、 通 讯 、 建筑 、 装 修等
工 业部 门 , 要 求表 面光 洁美 观 、 表 面 处 理 后 色
彩均 匀 。 但是 , 该 合金在 挤 压 时如工 艺 条件控
制 不 当 , 易产生撕 裂 、 粘着 和模具 划 痕 等影 响
表 面 质量 的缺 陷 。
当 在 铸 锭 加 热 温 度 为 , 挤 压 速 度
为 分的条 件下通过 新模具挤 压 合
金 型材 时 , 表 面 出现严重撕 裂 。 撕 裂是 由于 铝
粘 附在模具 工 作带表 面上 造成 的 。 用 分
析表 明 , 撕 裂 区 的成分与母 体 材 料相 同 。 撕 裂
的尺 寸和 几 何形 状 与伴随 被拉 长 的 晶 粒动态
回 复 过 程 中 由 晶 界 突起 而 产 生 的 缺 陷相 一
致 。 因 此 , 这类 缺 陷可 能与模具和 型 材 表面 的
相互 作 用以 及 晶界 的强度 有关 。 在 撕 裂道 痕
之 间还观察到 未 损 伤的显 微模具 划 痕 。 经过
几 次 挤 压 之 后 , 模 具 工 作带 表 面 沉 积 有 一 层
稳定 的铝层 , 撕 裂 的严重 程 度 有 所 减 少 , 甚至
可 以 消除 , 但 它 可 能 是 造 成 只 系
合金 型 材表 面最 常 见的 称之 为 模具 划
痕 的缺 陷的成 因之一 。
在 挤 压 合 金 时 最 可 能 出现 的主 要
缺 陷是粘 着 和模具划 痕 。 在 最 严重 的情况 下 ,
模 具 划 痕 最 终 可 变 成 铝 碎 片而 形 成 “ 枯着 沉
积 ” 。 用 分 析表 明 , 沉积物 的成 分 与前一
次挤 压 的 合金相 同 。 这说 明上一 次挤 压
后在 模子工 作带表面 已有 粘着 沉 积 , 因此 , 在
挤 压 以前 必 须 从模子工 作 带表 面除去 粘着沉
积 。 模具 表面不 光 洁 , 表面硬 度 低 , 加 上 挤压
时 的 磨损 和机械 损 伤 , 加 剧 了模 具 表 面 铝 复
盖 层 的不 稳 定性并促 使与其 相关 的粘 着沉积
的形 成 。 当连 续 挤 压 几 个 合 金 铸锭 之
后 , 仍 发现 有 与基 体金 属 成 分 相 同 的 枯着 沉
积物 。 在模具 表 面 的 铝复 盖 层 中常常 会 出现
粗大 的 一 一 沉淀 物 , 试验 证 明 , 它 们是 挤
压 型 材表 面 划 痕 的主 要起 因 。 在 试 验 研 究 中
发现金 属 死 区 的剪 切 区 内存在与铝复 盖 层 内
类 似 的沉 淀物 。 当挤 压 继续 进行 时 , 死 区 中会
出 现 硬 粒 子 的 大 量 “ 堆 积 ” 。 观 察表 明 甲 这 种
“ 堆 积 ” 物 似 乎 被 多 次剪 切 , 并 发现 由于 金 属
流 扰动而 在粒 子 附近产 生空穴 。 这 种 空穴 在
型材表 面表 现 为显 微模 具划 痕 。 当这 种材料
进 入 模 具 工 作 带 表 面 而 流 向 挤 压 型 材 表 面
时 , 在 沉 淀物 与基 体 之 间 出现不均 匀流变 , 从
而 在 挤 压 型 材上 引起 磨损划 痕 。 随后 , 聚 积 的
一 一 沉 淀 物 在 进 入 模具 区 时 受 到 剪 切 ,
沉积 在 模 具 工 作带 表 面 上 , 引起 进 一 步 的 划
伤 , 直 到 其最 终嵌 入挤 压型材表 面 内为止 。 此
外还 发现 , 这些 沉淀 物 以 堆积形 式存在时 , 尺
寸相 当大 , 在 挤 压 型材 表面 成形 时 , 足以 引起
金 属 流 的 局 部 扰 动 , 这 种扰 动很 可 能影 响 型
材 的表面 形 态 。
模具工 作带 表 面与挤压 型 材表面 之 间 的
金属 相对 局部扰 动 也 会引起枯 着 。 利 用 净 化
后 的模 具 对 超 纯 铝 进 行 挤 压研 究 , 用扫 描 电
镜 检验 表 明 , 型 材 及 模 具 工 作带 表 面 被 大 量
的碎 片划 伤 , 用 分析鉴 定 出碎 片的 成 分
与基体材 料 基本 一 致 。 试验表 明它始终 与模
具 划痕和 显 微模具 划 痕有关 。
用 分 流 模 进 行 了 大 量 的挤 压 试 验 , 发现
禅 具工 作带 表 面 上 的铝 复盖层 的形成 发展 有
一个 过 程 。 在初 次挤 压 后 现察 到 铝沉 积在模
具工 作带 的 出 口 处 , 随 着挤 压 过 程的继 续 , 铝
复 盖 层 逐 渐 聚 集 并 充 满模 具 整 个工 作岸 友
面 。 此 外还 发 现 挤压 型 材的表 面 帆糙 度与 复
盖 层 的粗 糙 度 有 关 , 它通 常 比 新 研 磨 的模 具
光滑 。
这表 明铝 沉淀物进入 模具 机 械加工 表 面
的孔 洞 和 凹 处是一 个重要 的间题 。 将垂直 与
平 行 于 挤 压 方 向进 行 研 磨 的 模具 进 行 了 比
较 , 结果 表 明 垂 直 干 挤压方 向研 磨的模具 挤
压 出 的 合金 型 材 , 其表 面 较好 。 这是 由
干 使 用平 行研 磨 模具 挤 压 时 潜在 的沉 积物 会
聚集在 模具 工 作带 的 出 口 处 。
, , 塑 铝 加 工
缺 陷分析 小结
”挤 压表 面 是 在 金属 流进 入模具 入 口
并在 与模具工作带 表面 接触之前形成 的 。 随
后它 受到 作用 于 型材和 模具工 作带表面之 间
的摩 擦力 的影 响 。 因此该面积 应尽可 能地 小 。
挤 压表 面裂纹形成 的主要机理 是 挤
压型 材表 面 局 部 区 域 的重熔 不 合理 的 挤 压
温度速度条 件 , 加上 挤 压时 的温升 , 使材 料 的
屈 服 强 度 大大 下 降 , 直 至 低于 型 材 与模 具 工
作带 表 面 之间 的 摩擦拉 应力 , 当型 材 流 出工
作带 出 口 处时 , 三 向压 应 力状 态 改 变而 引起
材料塑性 损失 , 此 时 易 出现 挤压裂纹 。
粘 着 和 模具 划 痕 大部 分是 由于 挤 压
型材与模具工 作带 表 面 相互 作 用 的 结 果 , 但
也可 能起 因于 金 属 流进 入模具前在 模具 入 口
处 的扰动 。 前一种机制可能是 由于 铝碎片或
硬 的 沉淀物的聚 积 所 引起 。 在金属死 区界面 ,
粗 大 的 月 一 一 沉 淀 物 排 成 直 线 , 可 能 是 造
成挤 压 型材表面不 均 匀 的金属 局部扰动 的原
因 。
流动 的 挤压 型 材 与模具工 作带表 面
之 间 的 瞬 时粘结 , 可 能 是 枯着 和 模具 划 痕 的
另一个原 因 。
挤 压型 材表面 的粗糙 度取 决于 沉积
在 模具工 作 带表 面上 的铝 复 盖 层 。 模具 在垂
直 于 挤 压方 向上 进 行研 磨 , 可 以 改 善其表 面
质量 。
参考文献
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种缺 陷的 板基 在 生 产 板 材制 品 时 , 考虑 到 有
的 用 户要 清洗 表 面 上 的油污 , 因此 该类 铸轧
板 不 能 生 产 用 化学 方 法 进 行 表 面 处 理 的 铝
板 , 但是可 以生 产质量 要求 不高的铝箔 。
结束语
由于 铸 轧板 的特殊工 艺 , 铝 液 在 一道 工
序 中就 连 续 完 成 了 铸造 及 热 轧 全过 程 , 直 接
生 产 出 冷 轧坯 料 即 铸轧卷 材 , 同 时也 出现 了
热轧所没有的 特殊 缺陷 。 通 过对这些缺 陷的
大 量高 低 倍组 织 的分析 , 可 以 得 出 一条重 要
的结论 , 只 有预先控制住这些 缺 陷的产生 , 才
能 显示 出 铸轧 板 的长处 , 否 则 其 优 势就 会 失
去 。 如 何更好地 预 防这些 缺 陷的产生 , 还有 待
于今后更 加深入的进行探 讨和 研究 。
铝合金挤压型材表面缺陷分析.pdf
