自學(xué)-失效分析實(shí)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(xué)材料學(xué)院中南大學(xué)材料學(xué)院產(chǎn)品斷面形狀與產(chǎn)品斷面形狀與尺寸尺寸? ?產(chǎn)品粗晶環(huán)照片產(chǎn)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(wú)鑄棒梯度加熱的正向擠壓過(guò)程，擠壓各區(qū)金屬的溫度是不同的，在無(wú)鑄棒梯度加熱的正向擠壓過(guò)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(dòng)是絕對(duì)的，從而導(dǎo)致粗晶環(huán)形成。金屬不均勻變形和不均勻流動(dòng)是絕對(duì)的，從

2、而導(dǎo)致粗晶環(huán)形成。 合金的再結(jié)晶溫度低，易發(fā)生再結(jié)晶合金的再結(jié)晶溫度低，易發(fā)生再結(jié)晶 擠壓過(guò)程中，鑄錠表面與擠壓筒壁、死區(qū)金屬與模孔工作帶劇烈摩擦，擠壓過(guò)程中，鑄錠表面與擠壓筒壁、死區(qū)金屬與?？坠ぷ鲙×夷Σ粒瑥亩a(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切變形，晶粒和晶界化合物遭到嚴(yán)重破壞，晶粒內(nèi)部和從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切變形，晶粒和晶界化合物遭到嚴(yán)重破壞，晶粒內(nèi)部和晶粒間積累較高的畸變能，使其再結(jié)晶溫度低。晶粒間積累較高的畸變能，使其再結(jié)晶溫度低。1、成分優(yōu)化與控制、成分優(yōu)化與控制國(guó)標(biāo)成分：國(guó)標(biāo)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(dāng)提高可以適當(dāng)提高M(jìn)g、Si，將，將Mg2Si量控制在量控制在1.58左右，過(guò)剩左右，過(guò)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(guò)程中，起釘扎作用，降低金屬化合物。在熱擠壓變形過(guò)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(qiáng)應(yīng)力作用下，部分在強(qiáng)應(yīng)力作用下，部分CrAl7、MnAl6以彌散質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)析出并聚集在晶界上。彌散

4、質(zhì)點(diǎn)析以彌散質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)析出并聚集在晶界上。彌散質(zhì)點(diǎn)析出物對(duì)亞結(jié)構(gòu)的多邊化和穩(wěn)定化起主要作用，使晶核形核率和長(zhǎng)大速率都下降，再結(jié)晶溫出物對(duì)亞結(jié)構(gòu)的多邊化和穩(wěn)定化起主要作用，使晶核形核率和長(zhǎng)大速率都下降，再結(jié)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(huì)降低合金力學(xué)性能，但是有研究表明，元素會(huì)降低合金力學(xué)性能，但是有研究表明， Fe與與Al、Mn會(huì)形成會(huì)形成FeAl3、(FeMn) Al6等彌散相，可以阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，減少粗晶環(huán)產(chǎn)生。等彌散相，可以阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，減少粗晶環(huán)產(chǎn)生。建議：適當(dāng)增加建議：適當(dāng)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(jìn)措施的探討改進(jìn)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?dú)饧兌龋旱獨(dú)饧兌龋?9.9953、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(duì)針對(duì)6061合金鑄錠

6、是否采取均勻化退火，說(shuō)法不一。合金鑄錠是否采取均勻化退火，說(shuō)法不一。在鑄造過(guò)程中，由于冷速快，在鑄造過(guò)程中，由于冷速快，CrAl7、MnAl6相來(lái)不及充分地從基體相來(lái)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(zhǎng)時(shí)間的作相從基體中析出，在高溫長(zhǎng)時(shí)間的作用下，用下，CrAl7、MnAl6彌散質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大，從而使彌散質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大，從而使6061鋁合金再結(jié)晶鋁合金再結(jié)晶溫度降低和阻止再結(jié)晶能力減弱，導(dǎo)致粗晶環(huán)產(chǎn)生。溫度降低和阻止再結(jié)晶能力減弱，導(dǎo)致粗晶環(huán)產(chǎn)生。某鋁業(yè)公司的部分?jǐn)D壓工藝參數(shù)：某鋁業(yè)公司的部分?jǐn)D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(kāi)始擠壓開(kāi)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(guò)程中，起始溫度低，終了溫度高，對(duì)同一橫截面來(lái)說(shuō)，中心部位在擠壓過(guò)程中，起始溫度低，終了溫度高，對(duì)同一橫截面來(lái)說(shuō)，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?cái)D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?cái)D壓有利于第二相的析出與聚集，降低了再結(jié)晶溫度，減弱了對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙壓有利于第二相的析出與聚集，降低了再結(jié)晶溫度，減弱了對(duì)晶粒長(zhǎng)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(shí)易形成粗晶環(huán)，對(duì)需要嚴(yán)格控制粗晶擠壓溫度低，金屬處于相變溫度以下時(shí)易形成粗晶環(huán)，對(duì)需要嚴(yán)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(nèi)（或接近于從兩相區(qū)向單相區(qū)轉(zhuǎn)變環(huán)深度的制品，使

9、擠壓溫度控制在單相區(qū)內(nèi)（或接近于從兩相區(qū)向單相區(qū)轉(zhuǎn)變的溫度時(shí)）即進(jìn)行高溫?cái)D壓。的溫度時(shí)）即進(jìn)行高溫?cái)D壓。u當(dāng)擠壓筒溫度高于坯料溫度時(shí)，將促使不均勻變形程度減輕、減小粗晶環(huán)深當(dāng)擠壓筒溫度高于坯料溫度時(shí)，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(duì)擠壓速度對(duì)6061鋁合金粗晶環(huán)的影響，主要是通過(guò)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(guò)金屬的熱平衡和熱擠壓材料的冷卻強(qiáng)度來(lái)體現(xiàn)。材料的冷卻強(qiáng)度來(lái)體現(xiàn)。u 擠壓速度低，鑄錠因摩擦作用而產(chǎn)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(chǎn)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(shí)間長(zhǎng)，又有利于再結(jié)晶形核和再結(jié)晶晶粒在稍低的溫度下金屬在變形區(qū)逗留時(shí)間長(zhǎng)，又有利于再結(jié)晶形核和再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。擠壓材因擠壓速度低從擠壓模出口到水槽需要的時(shí)間長(zhǎng)，也同樣有利于長(zhǎng)大。擠壓材因擠壓速度低從擠壓模出口到水槽需要的時(shí)間長(zhǎng)，也同樣有利于再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。u 在保證型材表面質(zhì)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(zhì)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(shè)備條件許可，采用環(huán)的生成。如果設(shè)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(chǎn)生粗晶環(huán)。工藝更不易產(chǎn)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(zhǎng)大是一個(gè)物理過(guò)程，總是需要一段時(shí)間才能完成。粗晶的形核和長(zhǎng)大是一個(gè)物理過(guò)程，總是需要一段時(shí)間才能完成。u如果對(duì)擠壓材采取快速冷卻，在再結(jié)晶晶核尚未形成或者晶核已形成但晶如果對(duì)擠壓材采取快速冷卻，在再結(jié)晶晶核尚未形成或者晶核已形成但晶粒還未長(zhǎng)大時(shí)，型材已冷卻到再結(jié)晶溫度以下，粗晶環(huán)不再產(chǎn)生。粒還未長(zhǎng)大時(shí)，型材已冷卻到再結(jié)晶溫度以下，粗晶環(huán)不再產(chǎn)生。u對(duì)擠壓對(duì)擠壓6061鋁合金材料，在鋁合金材料，在擠壓機(jī)頭設(shè)置一個(gè)適當(dāng)長(zhǎng)度的水槽擠壓機(jī)頭設(shè)置一個(gè)適當(dāng)長(zhǎng)度的水槽，對(duì)應(yīng)力變，對(duì)應(yīng)力變形小的棒材、管材、厚簿均勻的型材進(jìn)行形小的棒材、管材、厚簿均勻的型

12、材進(jìn)行穿水冷卻穿水冷卻，對(duì)應(yīng)力變形大而又難以，對(duì)應(yīng)力變形大而又難以矯正的型材進(jìn)行矯正的型材進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使鋁合金在模具內(nèi)均勻變形，減少與工作帶的劇烈摩模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使鋁合金在模具內(nèi)均勻變形，減少與工作帶的劇烈摩擦，降低變形功和擠壓過(guò)程的溫升。擦，降低變形功和擠壓過(guò)程的溫升。u分流模設(shè)計(jì)時(shí)，分流孔對(duì)鋁合金的分流要均勻、合理，盡量降低阻力。分流模設(shè)計(jì)時(shí)，分流孔對(duì)鋁合金的分流要均勻、合理，盡量降低阻力。u工作帶長(zhǎng)度要適當(dāng)，既要保證成形性能好，也應(yīng)使

13、鋁合金均勻變形，摩擦阻工作帶長(zhǎng)度要適當(dāng)，既要保證成形性能好，也應(yīng)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(dāng)。擠壓比要適當(dāng)。 擠壓比小，對(duì)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(duì)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(xué)性能下降。組織，型材力學(xué)性能下降。 擠壓比過(guò)大，必然會(huì)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(guò)大，必然會(huì)使不均勻變形程度增大，擠壓力上升，摩擦溫升上升，促進(jìn)粗晶環(huán)的生成。促進(jìn)粗晶環(huán)的生成。建議：擠壓工藝改進(jìn)措施建議：擠壓工藝改進(jìn)措施u低溫快速擠壓低溫快速擠壓+快速冷卻（高溫?cái)D壓快速冷卻（高溫?cái)D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(jié)構(gòu)合理的模具結(jié)構(gòu) 一般來(lái)講，對(duì)于一般來(lái)講，對(duì)于6061鋁合金：鋁合金：u擠壓筒加熱溫度通常設(shè)定在擠壓筒加熱溫度通常設(shè)定在430450，最高不超過(guò)，最高不超過(guò)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(jìn)方案（措施）建議的具體改進(jìn)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