薄壁鋁型材擠壓過程的金屬流動特性分析＊

黃雪梅 盤德文 林雅芳 羅藝茹 鄧汝榮

（廣州科技職業技術大學，廣東 廣州 510550）

隨著經濟高速穩定地發展和科技的不斷進步，鋁合金材料的研究和開發取得了長足的進步，鋁合金材料得到了更加廣泛的應用，鋁合金型材逐漸向著尺寸大型化、形狀更加復雜化、斷面逐漸薄壁化和尺寸精密化的方向發展。在材料和工藝手段取得突破的前提下，鋁型材的力學性能得到了極大的提高，這也為型材薄壁化創造了可靠的條件。但型材薄壁化帶來了不少新的課題和問題，最直接的表現為擠壓變形程度增加、擠壓的難度增大和擠壓力的升高，這些都對擠壓成型和模具造成不利的影響。

薄壁型材相比較大壁厚及形狀的型材有著兩個明顯的優點：其一是它重量輕，減小了零件的總重量；其二是由于擠壓材料較少而減小了成本。然而，往往由于成型困難導致這兩大優點被否定。因此，廣大專家學者對型材薄壁化的擠壓狀態、擠壓工藝及模具方面進行了深入廣泛的研究。阮祥明等人對薄壁空心型材擠壓過程進行了數值模擬，并以某薄壁空心型材作為研究對象，基于塑性成形理論進行擠壓工藝和模具結構設計，模擬的結果顯示，在焊合室中設置阻流塊并調整結構尺寸可平衡擠壓時型材的流動速度分布[1]。陳浩等人采用基于ALE算法的Hyperxtrude軟件針對某一復雜薄壁空心型材的擠壓過程進行數值模擬，分析模具型腔內材料的流動規律及成形機理，提出在下模開設二級焊合室和增設阻流坎兩種優化設計方案，可有效解決模具設計速度分布不均的問題[2]。賀建敏針對型材薄壁化的模具壽命提出了相關的措施，包括提高鑄錠的質量和增設模具的氮化工藝等[3]。冉孟春等人針對薄壁六邊形鋁型材進行擠壓成形仿真及試驗，提出通過調整六邊形薄壁型材的結構、擠壓工藝參數和工作帶長度的方法來提高型材的質量[4]。劉超提出采用FEM與FVM復合模擬技術，可以實現兩種模擬系統數據轉換和信息繼承，并將這種復合模擬技術應用于薄壁類鋁型材擠壓成形模擬，并認為是一種好的方法[5]。李大永等人針對薄壁門窗型材，提出了有限體積分步模擬方法，認為該方法的模擬精度高，可以很好地解決大尺寸薄壁型材制品擠壓成形的數值模擬問題[6]。程磊等人以典型的多孔薄壁口琴管型材為研究對象，對分流組合模在擠壓過程中的應力及彈性變形進行了分析，他們的試驗結果表明，分流模上模的應力分布極不均勻，模芯根部有明顯的應力集中，易產生裂紋，使模具過早失效，模芯和模孔部位的彈性變形會使擠出的型材制品尺寸產生偏差，在模具設計時應考慮尺寸補償[7]。本文將通過試驗對薄壁型材的金屬流動狀態進行測試和分析，得出影響薄壁型材擠壓及其質量的因素。

1 薄壁型材擠壓的概念

薄壁型材擠壓過程中的塑性變形十分復雜[8]。一方面，大的擠壓比或擠壓溫度低都會造成擠壓力過大；另一方面，在擠壓溫度高的條件下，擠壓過程又將會受擠壓表面缺陷的限制[9]。目前在我國對鋁型材壁厚的厚薄并沒有明確的定義或臨界劃分，在相關的國家標準中，只有對建筑鋁型材的壁厚有明確規定，標準要求其名義壁厚不應小于1.2 mm。因此，基于標準，并考慮到壁厚尺寸公差，行業中通常認為，當壁厚小于1.0 mm時，就認為是薄壁。由于型材壁厚的減小，會使薄壁型材的擠壓性會受到尺寸穩定性的影響，而因為擠壓中要嚴格控制型材的尺寸，所以當產品的壁厚小于0.6 mm時，實踐表明，其尺寸變化將超過10%。而近年來，企業為了降低成本，在材料及工藝允許的條件期望獲得的最小壁厚卻在不斷地減小。

薄壁型材牽涉復雜的金屬流動，特別是金屬在模孔的流動狀態。由于不均勻的摩擦力和工藝條件致使盛錠筒和模具腔中的金屬存在流速的不均勻[10]，不同的微觀結構也會使得金屬流動不均勻。正常擠壓時型材必須以均勻的速度通過模孔，但超薄零件的特點是不穩定，金屬在型材的某些部位會比另一些部位更容易出現流速快的現象。幾何尺寸的限制常常由最小厚度與寬度之比來決定。然而，對于復雜形狀的型材卻不能準確的判斷。因此，型材的斷面周長與斷面面積之比（也稱為形狀系數，用C表示）被認為是更好的方式。C值越大的型材因為摩擦抗力的原因將很難擠壓[11]。

由此可見，擠壓過程和擠壓工藝對產品的最終性能有很大的影響。因此，為了優化工藝條件，就有必要弄清楚在模具變形區域內金屬復雜的變形機制。因此，本實驗通過對金屬流動的測試以得出影響薄壁型材擠壓成形和產品性能的因素，供行業參考。

2 實驗的目的與方法

為了對產品的晶粒結構和方向進行測試，實驗從大尺寸、中尺寸和微尺寸產品3個方面進行。采用從寬到窄的方法研究金屬的流動方式與狀態。在對大尺寸和中尺寸實驗中，通過圖像來檢查金屬的流動線和記錄金屬的流動方向，測量擠壓方向上的晶粒角度。而中尺寸和微尺寸的實驗主要是為了顯示單個晶粒和晶體的取向。

為了確保發現不同參數引起的變化，用3個規格的產品在不同的條件下進行擠壓后分析。因為金屬的流動決定了生產效率和產品的質量，是擠壓中的十分重要的因素。它也直接關系到制品的微觀結構。實驗中所有的樣品的3個尺寸用光學顯微鏡（OM）進行觀察。而在薄壁型材在擠壓過程，由于較大的變形會形成細小的晶粒，則用掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀結構觀察，并沿不同變形的路徑的區域選擇樣品進行微觀結構測試。

3 實驗步驟

實驗所用的鋁棒為6063合金，其主要的化學成分如表1 所示。樣品在 12.5 MN（1 250 t）的擠壓機上進行擠壓，鋁棒溫度為500～510 ℃，采用單孔模具和直徑為150 mm的鋁棒進行擠壓。圖1為實驗型材的斷面圖，圖中對特定的型材部位進行了各種術語的定義。其中，薄壁部位的厚度為h，因為需分別對3個不同薄壁尺寸的型材進行研究，3個薄壁尺寸的厚度分別為 0.6 mm、0.8 mm 和 1.0 mm。

圖1 型材斷面圖

表1 實驗用6063鋁合金化學成分

在擠壓實驗中，3種不同薄壁的型材，由于斷面的變化，其出口速度也是變化的；同時，在擠壓過程中，最大和最小的擠壓負荷也是不同的，這些擠壓數值如表2所示。

表2 實驗產品編號和其對應的擠壓力及擠壓速度

為了使實驗結果具有代表，根據上述產品編號，從薄壁產品中各選取1個典型樣品進行，選取壁厚分別為 0.8 mm、0.6 mm 和 1.0 mm 的 2#、6#和 10#。這3個產品的薄壁段壁厚差為0.2 mm，為了更好地驗證擠壓速度的影響，選取薄壁段最大和最小壁厚的產品進行分析，即選取6#和10#，而選取2#產品進行腐蝕后的宏觀組織觀察。方法是將部分擠壓坯料劃分為4個區域，并進行縱向表面宏觀腐蝕的觀察。然后定義樣品的方向，擠壓方面為X軸[100]，橫向寬度方向定為Y軸[010]，擠壓品的厚度為Z軸[001]，Z軸定義為法線方向。樣品的方向和其1/4坯片的關系如圖2所示。

為了進行顯微檢查將模具中靠近孔位的金屬移出。圖2中虛線框為樣品取出位置，取XY和YZ兩個垂直平面進行測試，將樣品通過傳統的金相方法制備。在試制中進行電解腐蝕之前用0.05 μm的SiO2拋光劑進行拋光。該蝕刻劑可在偏振光下有效透出晶粒結構。

圖2 微樣品取樣示意圖

疊加網格在樣品以便OM圖像可以采取在特定的位置。腐蝕后，金屬流線清晰可見，可記錄下晶粒與軸向的角度，朝向中心軸的晶粒指定為正角度，這包括靠近坯料表面的材料，這樣靠近鋁坯的中心金屬的流動實際上就形成負角度。材料的流動偏離中心軸，目的是為了材料較厚部分斷面的成型。

其中晶粒取向平行于擠出方向上的位置稱為中性線。盡管晶粒的精確位置取決于工藝條件，但這些晶粒一般都在厚的部分坯料的區域中。通過近似角度相同的微觀組織采用等高圖的方式作圖，可表明金屬流動方向為坯料位置的函數。

4 結果分析

如圖3所示為部分擠壓坯料的金屬流動。圖中通過各區域對腐蝕的不同反應使得幾個宏觀結構區域是顯而易見的。在各個邊界上畫上白色虛線，區域Ⅰ為對模具面的死區金屬（DMZ），在這個區域中的材料具有非常有限的流動性。區域Ⅱ是剪切密集區（SIZ）。鋁坯的近表面的金屬流過死區的外沿和Ⅲ區域的內部，當一小部分金屬流入模孔形成擠壓材的外表面時，大部分金屬被模具面所阻擋。區域Ⅳa為即將流入模孔的主要成型區（MDZ）。這3個區域在以前的實驗中已經進行過了研究。

圖3 樣品2腐蝕后的5個宏觀組織區域

區域Ⅲ是介于剪切區和成型區的過渡區，其腐蝕后的形貌不同于其他區域。這些晶粒高度變形，可以歸類為剪切密集區。這部分金屬并不會直接流入模孔，在它形成厚型材部分之前被剪切。為了區分區域Ⅱ和區域Ⅲ的微觀結構需要進一步的顯微檢查。

區域Ⅳb為成型區的一部分，它顯示為一個稍微不同的灰度。雖然這些晶粒將立即進入模孔，但這些金屬的流向是向著鋁棒的表面而不是向希望的平行于擠壓方向流動。因為金屬需要流動填充較低的S/V區域，其呈負角的方式流動。為了清楚晶粒的流向，對顯微樣品進行腐蝕后觀察晶粒邊界。

圖4顯示為Ⅲ區域腐蝕后的微觀組織結構。晶粒通過暗色邊界可顯示出，金屬化合物AlFeSi通過成分分析可得出并確定。圖4中的金屬從右下方流向左上方，這些晶粒流向心部位置，并與擠壓方向呈直角。

圖4 樣品2腐蝕后過渡區的微觀結構

為了獲得中間層面的晶粒流動，采用圖像連續記錄并合在一起，樣品6和10的圖像合成后分別如圖5和圖6所示。這些圖顯示了明顯的差異，區域Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ清晰可見，圖6顯示晶粒在成型厚截面前向模孔方向的流動。樣品10的金屬流動幾乎沿著擠壓方向。

圖5 樣品6的棒坯切片的微觀圖像合成圖

圖6 樣品10的棒坯切片的微觀圖像合成圖

從圖中可以看出，一是在模孔的里面，擠出物的起始包含幾個大的晶粒，對于樣品6厚截面的一半位置出現大晶粒而樣品10整個都有。因為較大的擠壓比，較大變形區域出現再結晶并導致晶粒長大。這些再結晶區域在擠壓過程中是動態的擠壓后是靜態的。二是離模孔較遠的金屬變形量較小，晶粒能被清楚的界定。由其外觀可知其長寬比較小。當金屬在模具中流動，晶粒會產生較大變形，它們被拉長，變得薄而窄。這與晶粒的循環相一致。大角度晶粒存在著較大的應變并擁有超薄顆粒清晰的帶狀組織。樣品10的死區深度更大。雖然擠壓比較低，擠壓速度占主導地位導致金屬非均勻流動。樣品10大截面位置的兩邊晶粒呈較大角度，然而在樣品6中僅在鋁棒的外側部出現較大的旋轉。

在光學顯微圖像中如圖4所示，AlFeSi金屬間化合物被用來定義金屬流線。以前以為這部分粒子被封裝于單個晶粒，并在金屬流動中被拉長。然而，部分區域的小步長電子背散射衍射掃描證明這一假設。很多細小的等軸晶粒存在于流線之間。從圖7和圖8中可看出，壁厚的增大，金屬流線的彎曲程度將減小，金屬的剛性區在變小。實踐中也表明，壁厚的增大，擠壓力將減小，同時擠壓更平穩。

圖7 樣品 6 的金屬流線圖（擠壓速度為 16 m/min）

圖8 樣品 10 的金屬流線圖（擠壓速度為 50 m/min）

5 結語

（1）在薄壁型材的擠壓過程中，在一定的溫度范圍內，擠壓速度和壁厚大小是影響金屬流動的主要參數。

（2）金屬進入模腔的入口幾何尺寸和以及擠壓的出口速度，是影響金屬流動的重要因素。金屬進入模腔后，隨著到模孔的距離即流道的長度增大而擠壓更加平穩，流速更易均勻。而擠壓出口速度是控制金屬流動的主要因素，速度越快，流速越不均勻。

（3）離模孔較遠的金屬變形量較小，晶粒能被清楚的界定；晶粒的長寬比較小。當金屬在模具中流動，晶粒會產生較大變形，它們將被拉長，變得薄而窄。