鋁合金空腔薄壁型材擠壓抗力分析

呂懷成 張人杰

摘 要：本文詳細介紹了高速列車車體用鋁合金空腔薄壁型材擠壓抗力的影響因素，重點分析了合金成分、鑄棒質量、擠壓工藝和擠壓模具對擠壓抗力的影響，并指出了降低擠壓抗力的有效方法。

關鍵詞：空腔薄壁型材；擠壓抗力；高速列車

隨著高速列車的快速發展，高速列車的高速性、輕量化以及對列車舒適性和安全性的要求使得其車體型材的截面尺寸和形狀復雜性進一步增加，型材呈現出更為扁寬、薄壁、多腔的截面形狀特點。對于這種扁寬薄壁結構的型材，由于擠壓寬展比、型材寬厚比和壁厚差較大，擠壓過程中材料流動阻力較大，所需突破壓力大，擠壓模具容易發生變形、失穩、裂紋甚至報廢，且擠壓抗力大制約型材擠壓速度的提升，嚴重影響了型材的生產效率[1]。6005A、6082、6N01合金由于其優良的擠壓性、焊接性、耐腐蝕性及中等的強度，在高速列車車體型材中得到廣泛的應用。因此研究空腔薄壁用6xxx系鋁合金的擠壓抗力勢在必行。

1 合金成分分析

同一種金屬，純度越高，變形抗力越小。6xxx系合金其主要合金化元素為Mg、Si，同時含有微量的Mn、Cr等元素。研究表明，增加Mg含量會使擠壓抗力增高，Si過量的擠壓性能比Mg過量的更好。通常為滿足降低擠壓抗力的要求，需降低Mg2Si的含量，由此造成的強度損失通過增加適量Si來補償[2]。合金中的Mn、Cr形成MnAl6、CrAl7，能提高再結晶溫度，減小粗晶環的形成。少量 Mn 元素的添加，能有效的改善Fe相的形態，促進α-Fe相的生成，且有利于后續熱處理過程中β-Fe相向α-Fe相的轉變。粒狀的α-Fe相比針狀的β-Fe相更有利于鑄棒擠壓時減小擠壓抗力。

2 鑄錠質量分析

鑄棒質量對鋁合金空腔薄壁型材擠壓抗力的影響主要由半連續鑄造質量、均勻化效果以及均勻化后冷卻速率控制決定。

2.1 鑄造工藝

鑄棒合金成分的均勻性、氣體與夾雜物的控制以及鑄錠的組織控制都會對后續型材的擠壓抗力產生影響。鋁合金鑄棒中經常出現成分偏析等情況，由于化學成分的不均勻性，鑄錠在凝固過程中的結晶特性不均勻性增加，容易造成鑄錠的熱裂、性能不均勻、組織不均勻等，影響最終型材的正常生產。鋁合金鑄造時鋁錠、廢料、中間合金等原材料不可避免地存在氧化夾雜物、氣體、雜質元素等，熔煉過程中又極易氧化與吸氣，使得鋁熔體的冶金質量不高，從而導致鑄棒擠壓時變形抗力增加。嚴格的熔煉爐、靜置爐除氣除渣操作，配合三轉子在線除氣裝置和陶瓷泡沫過濾器可有效控制鋁合金鑄棒中的氣體、夾雜含量；合理調控鑄造溫度、冷卻速度、鑄造速度，避免鑄棒中的宏觀成分偏析、粗大晶粒、粗大金屬間化合物等缺陷，可有效降低鑄棒的擠壓抗力。

2.2 均勻化工藝

鑄棒內部組織性能均勻時，所需的擠壓力較小；經充分均勻化退火的鑄錠比不進行均勻化退火的鑄錠擠壓力低。均勻化處理過程實際上就是相的溶解和原子的擴散過程，對于6xxx系鋁合金來說，要達到最佳的降低鑄棒的變形抗力效果，均勻化處理需要達到：①盡可能減少或消除鑄造組織的偏析；②使Al-Fe-Si析出物β→α析出物的彌散化；③主成分化合物Mg2Si的彌散狀態最佳化，在保證固溶體最貧化的前提下，析出粒子為緊湊形[3]。因此，對于空腔薄壁用6xxx系鋁合金鑄棒采用雙級均勻化工藝，低溫均勻化有效消除鑄錠組織的偏析，高溫均勻化促進Al-Fe-Si相形態的轉變；并調控均勻化后冷卻速度，使鑄棒中的Mg2Si相均勻彌散細小析出，最終達到擠壓時降低擠壓抗力的效果。

2 擠壓工藝分析

2.1 擠壓系數

擠壓系數是衡量擠壓難易程度的一個重要指標。一般來說，擠壓系數越大，型材的變形度越大，所需要的擠壓力也越大，說明擠壓的難度越大，有的甚至會擠不動，出現通常所說的悶車現象。反之，擠壓系數越小，型材越容易擠壓，但擠壓系數太小，會使型材的變形量太小，型材中容易保留鑄造組織，降低型材的性能。合理調整不同的擠壓機型號，選用不同的擠壓筒內徑，改變擠壓系數，可有效降低擠壓抗力[4]。

2.2擠壓工藝參數

擠壓工藝參數中擠壓溫度、擠壓速度對型材的擠壓抗力影響最為顯著。其中，擠壓溫度高有利于降低鑄棒的變形抗力；但過高的擠壓溫度易導致型材出口溫度過高，導致型材過燒、晶粒粗大、粗晶層厚度超標等缺陷的產生。擠壓速度對擠壓抗力的影響，一方面體現在擠壓速度越高，擠壓抗力越大；但當擠壓速度過低時，會導致擠壓過程中擠壓溫度降低，也不利于型材生產過程中擠壓抗力的降低。因此，合理匹配擠壓溫度和擠壓速度，以型材出口溫度控制為基準，降低型材擠壓過程中的擠壓抗力。

2.3 擠壓操作

在實際生產過程中，工藝操作和生產技術等方面的原因也會對擠壓抗力產生很大的影響，如：鋁棒加熱溫度不均勻、擠壓筒加熱溫度太低、擠壓速度太慢以及擠壓過程的不連續性等因素均會影響型材擠壓過程中的變形抗力。嚴格的擠壓操作是擠壓過程中擠壓抗力的基礎。

3 擠壓模具分析

3.1 模具結構

空腔薄壁型材擠壓模具為分流模，其中焊合室高度、工作帶長度、分流孔及模橋設計等均會對擠壓過程中的擠壓抗力產生影響。焊合室過高，焊合室內所容納的金屬體積增大，在進行焊合時，所需用的能量也就增大；另一方面，由于焊合室增高，金屬的流程也就越長，最終導致擠壓力升高。工作帶長度對金屬的流動非常敏感，工作帶過長，增加了摩擦阻力，導致擠壓力升高；工作帶短，容易導致模具報廢。在分流孔、模橋、模芯設計時，盡可能將分流孔邊緣與模芯邊緣相近，減少中心部分的面積；將模芯入口設計成直角或小圓弧過渡，都會改變金屬的流動方向。研究表明，蝶形模具采用分層導流結構，將分流橋設計成拱形，降低分流橋的中心部位，改善分流橋下遮蔽部分的金屬供料，可使模腔具有很好的流線型，改善材料流行性，從而降低擠壓抗力[5]。

3.2 模具質量

模具質量對擠壓抗力的影響主要體現在模具強度、模具鋼的回火穩定性以及模具工作帶的光滑程度等方面。連續擠壓時，鋁棒與模具接觸摩擦（尤其是工作帶部位的摩擦更為劇烈），當摩擦產熱與模體熱傳遞失衡時，會使模具接觸面溫度不斷升高，在溫升過程中會發生模具回火軟化和嚴重磨損情況，進而損傷模具壽命，限制擠壓溫度的設置，從而影響擠壓抗力。模具工作帶粗糙程度和鋁棒與模具工作帶間的摩擦力直接相關，直接影響到擠壓抗力的增加。根據型材斷面復雜程度選擇模具鋼質量，規范模具修整操作可有效保證擠壓抗力的降低。

結束語

隨著高速列車車體用型材的截面尺寸和形狀越來越復雜，型材擠壓過程中的變形抗力逐漸成為擠壓過程中的難點，嚴重影響型材的生產效率。各項工序都會影響到型材擠壓過程中的擠壓抗力，這些因素貫穿于鋁合金熔煉、鑄造、熱處理、擠壓加工、模具制造等整個生產過程。為降低高速列車用空腔薄壁鋁合金的擠壓抗力，在現有生產條件下，從合金成分設計、鑄棒質量、擠壓工藝以及擠壓模具四個方面著手，根據不同的斷面各方面有所側重，可有效降低型材的擠壓抗力。

參考文獻：

[1]肖亞慶，劉靜安. 鋁加工技術實用手冊[M]. 北京：冶金工業出版社，2012.

[2]Yu.I.Kukushkin， 楊家翠. 用成分、組織的最佳化來提高鋁合金的可擠壓性的方法[J]. 輕合金加工技術， 1983（2）：34-36.

[3]劉靜安，謝建新. 大型鋁合金型材擠壓技術與工模具優化設計[M]. 北京：冶金工業出版社，2003