铝合金空腔薄壁型材挤压抗力分析

吕怀成 张人杰

摘 要：本文详细介绍了高速列车车体用铝合金空腔薄壁型材挤压抗力的影响因素，重点分析了合金成分、铸棒质量、挤压工艺和挤压模具对挤压抗力的影响，并指出了降低挤压抗力的有效方法。

关键词：空腔薄壁型材；挤压抗力；高速列车

随着高速列车的快速发展，高速列车的高速性、轻量化以及对列车舒适性和安全性的要求使得其车体型材的截面尺寸和形状复杂性进一步增加，型材呈现出更为扁宽、薄壁、多腔的截面形状特点。对于这种扁宽薄壁结构的型材，由于挤压宽展比、型材宽厚比和壁厚差较大，挤压过程中材料流动阻力较大，所需突破压力大，挤压模具容易发生变形、失稳、裂纹甚至报废，且挤压抗力大制约型材挤压速度的提升，严重影响了型材的生产效率[1]。6005A、6082、6N01合金由于其优良的挤压性、焊接性、耐腐蚀性及中等的强度，在高速列车车体型材中得到广泛的应用。因此研究空腔薄壁用6xxx系铝合金的挤压抗力势在必行。

1 合金成分分析

同一种金属，纯度越高，变形抗力越小。6xxx系合金其主要合金化元素为Mg、Si，同时含有微量的Mn、Cr等元素。研究表明，增加Mg含量会使挤压抗力增高，Si过量的挤压性能比Mg过量的更好。通常为满足降低挤压抗力的要求，需降低Mg2Si的含量，由此造成的强度损失通过增加适量Si来补偿[2]。合金中的Mn、Cr形成MnAl6、CrAl7，能提高再结晶温度，减小粗晶环的形成。少量 Mn 元素的添加，能有效的改善Fe相的形态，促进α-Fe相的生成，且有利于后续热处理过程中β-Fe相向α-Fe相的转变。粒状的α-Fe相比针状的β-Fe相更有利于铸棒挤压时减小挤压抗力。

2 铸锭质量分析

铸棒质量对铝合金空腔薄壁型材挤压抗力的影响主要由半连续铸造质量、均匀化效果以及均匀化后冷却速率控制决定。

2.1 铸造工艺

铸棒合金成分的均匀性、气体与夹杂物的控制以及铸锭的组织控制都会对后续型材的挤压抗力产生影响。铝合金铸棒中经常出现成分偏析等情况，由于化学成分的不均匀性，铸锭在凝固过程中的结晶特性不均匀性增加，容易造成铸锭的热裂、性能不均匀、组织不均匀等，影响最终型材的正常生产。铝合金铸造时铝锭、废料、中间合金等原材料不可避免地存在氧化夹杂物、气体、杂质元素等，熔炼过程中又极易氧化与吸气，使得铝熔体的冶金质量不高，从而导致铸棒挤压时变形抗力增加。严格的熔炼炉、静置炉除气除渣操作，配合三转子在线除气装置和陶瓷泡沫过滤器可有效控制铝合金铸棒中的气体、夹杂含量；合理调控铸造温度、冷却速度、铸造速度，避免铸棒中的宏观成分偏析、粗大晶粒、粗大金属间化合物等缺陷，可有效降低铸棒的挤压抗力。

2.2 均匀化工艺

铸棒内部组织性能均匀时，所需的挤压力较小；经充分均匀化退火的铸锭比不进行均匀化退火的铸锭挤压力低。均匀化处理过程实际上就是相的溶解和原子的扩散过程，对于6xxx系铝合金来说，要达到最佳的降低铸棒的变形抗力效果，均匀化处理需要达到：①尽可能减少或消除铸造组织的偏析；②使Al-Fe-Si析出物β→α析出物的弥散化；③主成分化合物Mg2Si的弥散状态最佳化，在保证固溶体最贫化的前提下，析出粒子为紧凑形[3]。因此，对于空腔薄壁用6xxx系铝合金铸棒采用双级均匀化工艺，低温均匀化有效消除铸锭组织的偏析，高温均匀化促进Al-Fe-Si相形态的转变；并调控均匀化后冷却速度，使铸棒中的Mg2Si相均匀弥散细小析出，最终达到挤压时降低挤压抗力的效果。

2 挤压工艺分析

2.1 挤压系数

挤压系数是衡量挤压难易程度的一个重要指标。一般来说，挤压系数越大，型材的变形度越大，所需要的挤压力也越大，说明挤压的难度越大，有的甚至会挤不动，出现通常所说的闷车现象。反之，挤压系数越小，型材越容易挤压，但挤压系数太小，会使型材的变形量太小，型材中容易保留铸造组织，降低型材的性能。合理调整不同的挤压机型号，选用不同的挤压筒内径，改变挤压系数，可有效降低挤压抗力[4]。

2.2挤压工艺参数

挤压工艺参数中挤压温度、挤压速度对型材的挤压抗力影响最为显著。其中，挤压温度高有利于降低铸棒的变形抗力；但过高的挤压温度易导致型材出口温度过高，导致型材过烧、晶粒粗大、粗晶层厚度超标等缺陷的产生。挤压速度对挤压抗力的影响，一方面体现在挤压速度越高，挤压抗力越大；但当挤压速度过低时，会导致挤压过程中挤压温度降低，也不利于型材生产过程中挤压抗力的降低。因此，合理匹配挤压温度和挤压速度，以型材出口温度控制为基准，降低型材挤压过程中的挤压抗力。

2.3 挤压操作

在实际生产过程中，工艺操作和生产技术等方面的原因也会对挤压抗力产生很大的影响，如：铝棒加热温度不均匀、挤压筒加热温度太低、挤压速度太慢以及挤压过程的不连续性等因素均会影响型材挤压过程中的变形抗力。严格的挤压操作是挤压过程中挤压抗力的基础。

3 挤压模具分析

3.1 模具结构

空腔薄壁型材挤压模具为分流模，其中焊合室高度、工作带长度、分流孔及模桥设计等均会对挤压过程中的挤压抗力产生影响。焊合室过高，焊合室内所容纳的金属体积增大，在进行焊合时，所需用的能量也就增大；另一方面，由于焊合室增高，金属的流程也就越长，最终导致挤压力升高。工作带长度对金属的流动非常敏感，工作带过长，增加了摩擦阻力，导致挤压力升高；工作带短，容易导致模具报废。在分流孔、模桥、模芯设计时，尽可能将分流孔边缘与模芯边缘相近，减少中心部分的面积；将模芯入口设计成直角或小圆弧过渡，都会改变金属的流动方向。研究表明，蝶形模具采用分层导流结构，将分流桥设计成拱形，降低分流桥的中心部位，改善分流桥下遮蔽部分的金属供料，可使模腔具有很好的流线型，改善材料流行性，从而降低挤压抗力[5]。

3.2 模具质量

模具质量对挤压抗力的影响主要体现在模具强度、模具钢的回火稳定性以及模具工作带的光滑程度等方面。连续挤压时，铝棒与模具接触摩擦（尤其是工作带部位的摩擦更为剧烈），当摩擦产热与模体热传递失衡时，会使模具接触面温度不断升高，在温升过程中会发生模具回火软化和严重磨损情况，进而损伤模具寿命，限制挤压温度的设置，从而影响挤压抗力。模具工作带粗糙程度和铝棒与模具工作带间的摩擦力直接相关，直接影响到挤压抗力的增加。根据型材断面复杂程度选择模具钢质量，规范模具修整操作可有效保證挤压抗力的降低。

结束语

随着高速列车车体用型材的截面尺寸和形状越来越复杂，型材挤压过程中的变形抗力逐渐成为挤压过程中的难点，严重影响型材的生产效率。各项工序都会影响到型材挤压过程中的挤压抗力，这些因素贯穿于铝合金熔炼、铸造、热处理、挤压加工、模具制造等整个生产过程。为降低高速列车用空腔薄壁铝合金的挤压抗力，在现有生产条件下，从合金成分设计、铸棒质量、挤压工艺以及挤压模具四个方面着手，根据不同的断面各方面有所侧重，可有效降低型材的挤压抗力。

参考文献：

[1]肖亚庆，刘静安. 铝加工技术实用手册[M]. 北京：冶金工业出版社，2012.

[2]Yu.I.Kukushkin， 杨家翠. 用成分、组织的最佳化来提高铝合金的可挤压性的方法[J]. 轻合金加工技术， 1983（2）：34-36.

[3]刘静安，谢建新. 大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计[M]. 北京：冶金工业出版社，2003