自學-失效分析實例2—擠壓粗晶環(huán)控制方法的探討

1、某鋁業(yè)公司某鋁業(yè)公司60616061鋁合金型材鋁合金型材擠壓粗晶環(huán)控制措施的探討擠壓粗晶環(huán)控制措施的探討潘清林潘清林 中南大學材料學院中南大學材料學院產品斷面形狀與產品斷面形狀與尺寸尺寸? ?產品粗晶環(huán)照片產品粗晶環(huán)照片粗晶層粗晶層3mm以下，以下，OK品品粗晶層粗晶層3mm以上，以上，NG品品 全部粗晶，全部粗晶，NG品品粗晶環(huán)形成主要原因粗晶環(huán)形成主要原因 變形不均勻變形不均勻 在無鑄棒梯度加熱的正向擠壓過程，擠壓各區(qū)金屬的溫度是不同的，在無鑄棒梯度加熱的正向擠壓過程，擠壓各區(qū)金屬的溫度是不同的，金屬不均勻變形和不均勻流動是絕對的，從而導致粗晶環(huán)形成。金屬不均勻變形和不均勻流動是絕對的，從

2、而導致粗晶環(huán)形成。 合金的再結晶溫度低，易發(fā)生再結晶合金的再結晶溫度低，易發(fā)生再結晶 擠壓過程中，鑄錠表面與擠壓筒壁、死區(qū)金屬與?？坠ぷ鲙×夷Σ粒瑪D壓過程中，鑄錠表面與擠壓筒壁、死區(qū)金屬與?？坠ぷ鲙×夷Σ?，從而產生強烈的剪切變形，晶粒和晶界化合物遭到嚴重破壞，晶粒內部和從而產生強烈的剪切變形，晶粒和晶界化合物遭到嚴重破壞，晶粒內部和晶粒間積累較高的畸變能，使其再結晶溫度低。晶粒間積累較高的畸變能，使其再結晶溫度低。1、成分優(yōu)化與控制、成分優(yōu)化與控制國標成分：國標成分：Mg0.8-1.2 Si0.4-0.8 Cu0.15-0.40 Cr0.04-0.35 Mn0.15 Fe0.7 Zn0.2

3、5 Ti0.15某鋁業(yè)公司成分：某鋁業(yè)公司成分：Al-1.0Mg-0.68Si-(0.2-0.3)Cu-(0.11-0.135)Mn-(0.15-0.17)Cr-Fe主成分主成分 可以適當提高可以適當提高Mg、Si，將，將Mg2Si量控制在量控制在1.58左右，過剩左右，過剩Si量量0.14%左右。左右。 Mn 、Cr Cr、Mn與與Al形成形成CrAl7、MnAl6金屬化合物。在熱擠壓變形過程中，起釘扎作用，降低金屬化合物。在熱擠壓變形過程中，起釘扎作用，降低不均勻變形程度。不均勻變形程度。 在強應力作用下，部分在強應力作用下，部分CrAl7、MnAl6以彌散質點狀態(tài)析出并聚集在晶界上。彌散

4、質點析以彌散質點狀態(tài)析出并聚集在晶界上。彌散質點析出物對亞結構的多邊化和穩(wěn)定化起主要作用，使晶核形核率和長大速率都下降，再結晶溫出物對亞結構的多邊化和穩(wěn)定化起主要作用，使晶核形核率和長大速率都下降，再結晶溫度提高。度提高。 Fe 一般而言，在一般而言，在6061鋁合金中，鋁合金中，F(xiàn)e元素會降低合金力學性能，但是有研究表明，元素會降低合金力學性能，但是有研究表明， Fe與與Al、Mn會形成會形成FeAl3、(FeMn) Al6等彌散相，可以阻礙再結晶晶粒長大，減少粗晶環(huán)產生。等彌散相，可以阻礙再結晶晶粒長大，減少粗晶環(huán)產生。建議：適當增加建議：適當增加Mn、Cr含量（含量（Mn0.140.00

5、5； Cr0.18-0.2）；控制）；控制Fe的含量（的含量（0.17）改進措施的探討改進措施的探討2、熔鑄工藝、熔鑄工藝某鋁業(yè)公司熔鑄工藝參數(shù)某鋁業(yè)公司熔鑄工藝參數(shù): :？u熔化溫度：熔化溫度：750u精煉溫度：精煉溫度：730750u鑄造溫度：鑄造溫度：700720u鑄造速度：鑄造速度：100mm/minu冷卻水溫度：冷卻水溫度：3032u冷卻水壓力：冷卻水壓力：0.05MPa0.10MPau精煉劑用量：精煉劑用量：0.25u氮氣純度：氮氣純度：99.9953、均勻化處理、均勻化處理某鋁業(yè)公司均勻化制度：某鋁業(yè)公司均勻化制度：570/5h（冷卻方式？）（冷卻方式？）針對針對6061合金鑄錠

6、是否采取均勻化退火，說法不一。合金鑄錠是否采取均勻化退火，說法不一。在鑄造過程中，由于冷速快，在鑄造過程中，由于冷速快，CrAl7、MnAl6相來不及充分地從基體相來不及充分地從基體中析出。中析出。均勻化退火中，均勻化退火中，CrAl7、MnAl6相從基體中析出，在高溫長時間的作相從基體中析出，在高溫長時間的作用下，用下，CrAl7、MnAl6彌散質點聚集長大，從而使彌散質點聚集長大，從而使6061鋁合金再結晶鋁合金再結晶溫度降低和阻止再結晶能力減弱，導致粗晶環(huán)產生。溫度降低和阻止再結晶能力減弱，導致粗晶環(huán)產生。某鋁業(yè)公司的部分擠壓工藝參數(shù)：某鋁業(yè)公司的部分擠壓工藝參數(shù)：? ?u擠壓筒加熱溫度

7、：擠壓筒加熱溫度：400u鑄錠加熱溫度：鑄錠加熱溫度：560，冷卻至，冷卻至520開始擠壓開始擠壓u擠壓速度：擠壓速度：u冷卻方式與速度：冷卻方式與速度：u擠壓比：擠壓比：4、擠壓工藝、擠壓工藝u 擠壓溫度是由鑄錠加熱溫度，擠壓筒加熱溫度，模具加熱溫度以及擠壓速擠壓溫度是由鑄錠加熱溫度，擠壓筒加熱溫度，模具加熱溫度以及擠壓速度所決定的。度所決定的。u 在擠壓過程中，起始溫度低，終了溫度高，對同一橫截面來說，中心部位在擠壓過程中，起始溫度低，終了溫度高，對同一橫截面來說，中心部位溫度低，邊緣溫度高。擠壓速度快，溫升高。溫度低，邊緣溫度高。擠壓速度快，溫升高。 u在其他工藝條件不變的情況下，隨著擠

8、壓溫度的增高，粗晶環(huán)的深度增加。在其他工藝條件不變的情況下，隨著擠壓溫度的增高，粗晶環(huán)的深度增加。這是由于擠壓溫度升高后，金屬的變形阻力降低，變形不均勻性增加。高溫擠這是由于擠壓溫度升高后，金屬的變形阻力降低，變形不均勻性增加。高溫擠壓有利于第二相的析出與聚集，降低了再結晶溫度，減弱了對晶粒長大的阻礙壓有利于第二相的析出與聚集，降低了再結晶溫度，減弱了對晶粒長大的阻礙作用。作用。u擠壓溫度低，金屬處于相變溫度以下時易形成粗晶環(huán)，對需要嚴格控制粗晶擠壓溫度低，金屬處于相變溫度以下時易形成粗晶環(huán)，對需要嚴格控制粗晶環(huán)深度的制品，使擠壓溫度控制在單相區(qū)內（或接近于從兩相區(qū)向單相區(qū)轉變環(huán)深度的制品，使

9、擠壓溫度控制在單相區(qū)內（或接近于從兩相區(qū)向單相區(qū)轉變的溫度時）即進行高溫擠壓。的溫度時）即進行高溫擠壓。u當擠壓筒溫度高于坯料溫度時，將促使不均勻變形程度減輕、減小粗晶環(huán)深當擠壓筒溫度高于坯料溫度時，將促使不均勻變形程度減輕、減小粗晶環(huán)深度。度。 擠壓溫度擠壓溫度u 擠壓速度對擠壓速度對6061鋁合金粗晶環(huán)的影響，主要是通過金屬的熱平衡和熱擠壓鋁合金粗晶環(huán)的影響，主要是通過金屬的熱平衡和熱擠壓材料的冷卻強度來體現(xiàn)。材料的冷卻強度來體現(xiàn)。u 擠壓速度低，鑄錠因摩擦作用而產生的溫升小，不利于粗晶環(huán)的形成；擠壓速度低，鑄錠因摩擦作用而產生的溫升小，不利于粗晶環(huán)的形成；但但在稍低的溫度下金屬在變形區(qū)逗

10、留時間長，又有利于再結晶形核和再結晶晶粒在稍低的溫度下金屬在變形區(qū)逗留時間長，又有利于再結晶形核和再結晶晶粒長大。擠壓材因擠壓速度低從擠壓模出口到水槽需要的時間長，也同樣有利于長大。擠壓材因擠壓速度低從擠壓模出口到水槽需要的時間長，也同樣有利于再結晶晶粒的長大。再結晶晶粒的長大。u 在保證型材表面質量的條件下，采用快速擠壓工藝，反而有利于抑制粗晶在保證型材表面質量的條件下，采用快速擠壓工藝，反而有利于抑制粗晶環(huán)的生成。如果設備條件許可，采用環(huán)的生成。如果設備條件許可，采用低溫快速擠壓低溫快速擠壓工藝更不易產生粗晶環(huán)。工藝更不易產生粗晶環(huán)。 擠壓速度擠壓速度u型材的冷卻速度是影響粗晶環(huán)的重要因素

11、。型材的冷卻速度是影響粗晶環(huán)的重要因素。u粗晶的形核和長大是一個物理過程，總是需要一段時間才能完成。粗晶的形核和長大是一個物理過程，總是需要一段時間才能完成。u如果對擠壓材采取快速冷卻，在再結晶晶核尚未形成或者晶核已形成但晶如果對擠壓材采取快速冷卻，在再結晶晶核尚未形成或者晶核已形成但晶粒還未長大時，型材已冷卻到再結晶溫度以下，粗晶環(huán)不再產生。粒還未長大時，型材已冷卻到再結晶溫度以下，粗晶環(huán)不再產生。u對擠壓對擠壓6061鋁合金材料，在鋁合金材料，在擠壓機頭設置一個適當長度的水槽擠壓機頭設置一個適當長度的水槽，對應力變，對應力變形小的棒材、管材、厚簿均勻的型材進行形小的棒材、管材、厚簿均勻的型

12、材進行穿水冷卻穿水冷卻，對應力變形大而又難以，對應力變形大而又難以矯正的型材進行矯正的型材進行水霧冷卻水霧冷卻，是克服粗晶環(huán)生成又一行之有效的工藝措施。，是克服粗晶環(huán)生成又一行之有效的工藝措施。 冷卻速度冷卻速度 擠壓模具擠壓模具u模具設計時，應盡可能使鋁合金在模具內均勻變形，減少與工作帶的劇烈摩模具設計時，應盡可能使鋁合金在模具內均勻變形，減少與工作帶的劇烈摩擦，降低變形功和擠壓過程的溫升。擦，降低變形功和擠壓過程的溫升。u分流模設計時，分流孔對鋁合金的分流要均勻、合理，盡量降低阻力。分流模設計時，分流孔對鋁合金的分流要均勻、合理，盡量降低阻力。u工作帶長度要適當，既要保證成形性能好，也應使

13、鋁合金均勻變形，摩擦阻工作帶長度要適當，既要保證成形性能好，也應使鋁合金均勻變形，摩擦阻力小。力小。 擠壓比擠壓比u擠壓比要適當。擠壓比要適當。 擠壓比小，對減少粗晶環(huán)有利，但擠壓材的變形程度小，仍然保留有鑄造擠壓比小，對減少粗晶環(huán)有利，但擠壓材的變形程度小，仍然保留有鑄造組織，型材力學性能下降。組織，型材力學性能下降。 擠壓比過大，必然會使不均勻變形程度增大，擠壓力上升，摩擦溫升上升，擠壓比過大，必然會使不均勻變形程度增大，擠壓力上升，摩擦溫升上升，促進粗晶環(huán)的生成。促進粗晶環(huán)的生成。建議：擠壓工藝改進措施建議：擠壓工藝改進措施u低溫快速擠壓低溫快速擠壓+快速冷卻（高溫擠壓快速冷卻（高溫擠壓

14、+快速冷卻）快速冷卻）u合適的擠壓比：合適的擠壓比：10-20u合理的模具結構合理的模具結構 一般來講，對于一般來講，對于6061鋁合金：鋁合金：u擠壓筒加熱溫度通常設定在擠壓筒加熱溫度通常設定在430450，最高不超過，最高不超過500。u鑄棒加熱溫度為鑄棒加熱溫度為460500u模具加熱溫度模具加熱溫度430460，用分流模擠壓溫度取上限，平，用分流模擠壓溫度取上限，平模擠壓取下限。模擠壓取下限。u擠壓速度：擠壓速度：3-5m/min建議的具體改進方案（措施）建議的具體改進方案（措施）u方案一：方案一： 鑄錠不采用均勻化處理鑄錠不采用均勻化處理 擠壓后快冷：液氮、穿水或噴水冷卻（擠壓后快冷：液氮、穿水或噴水