工業(yè)鋁型材變形溫度、擠壓速度、變形程度對淬火組織性能的影響

上面討論了變形溫度、擠壓速度、變形程度三者之間的關(guān)系與作用對工藝制度的影響與控制，但對熱處理可強(qiáng)化的工業(yè)鋁型材而言，除了考慮上述影響外，還要考慮變形速度、變形溫度、變形程度對淬火組織性能的影響與控制。

IO·M·Bahhoar對熱加工變形工業(yè)鋁型材的變形溫度、變形速度、變形程度與其后續(xù)淬火熱處理后的組織狀態(tài)進(jìn)行了大量的研究工作。這里為討論問題方便起見，先簡化變形程度的影響，得出變形溫度、變形速度與淬火后的組織狀態(tài)關(guān)系圖，圖中的I區(qū)表示變形后淬火不發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域，AA線稱為臨界狀態(tài)線，它表示兩個(gè)臨界熱變形參數(shù)，即變形速度與變形溫度間的關(guān)系。低于臨界速度和高于臨界溫度變形時(shí)，隨后進(jìn)行的常規(guī)熱處理不會發(fā)生再結(jié)晶。如AB合金以約10s﹣1的速度變形，欲得到未結(jié)晶的淬火鋁型材產(chǎn)品需使變形溫度高于400℃。若在400℃以上變形，則變形速度可稍高于10s﹣1即可得到未再結(jié)晶組織。BB線以下的Ⅱ區(qū)為完全再結(jié)晶區(qū)域。AA及BB線間的區(qū)域Ⅲ為部分再結(jié)晶區(qū)域。CC線以上的Ⅳ區(qū)則為熱變形后無需淬火就已發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域。這個(gè)熱變形組織狀態(tài)圖雖然是在特定的合金和特定的變形程度下得到的，可能不同合金、不同的變形條件（對擠壓而言如正擠壓、反擠壓），所得到的具體數(shù)據(jù)和曲線不會完全相同，但它所反映的一般規(guī)律與工業(yè)鋁型材加工擠壓生產(chǎn)實(shí)踐所發(fā)生的情況是吻合的。

在工業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)中要得到未再結(jié)晶的穩(wěn)定的多邊化亞晶組織，在相同的變形程度下有兩種方法可供選擇，一是采用低溫?cái)D壓；二是采用高溫?cái)D壓。低溫時(shí)必須在較低的變形速度下擠壓才能得到未再結(jié)晶組織，這在國內(nèi)的生產(chǎn)實(shí)踐上很少使用。其原因是：對2×××、7×××系合金，溫度低變形抗力大，增加設(shè)備負(fù)載；速度低，降低生產(chǎn)效率。有時(shí)生產(chǎn)人員也采用低溫?cái)D壓，但這是為了提高擠壓速度。歷為如前所述，低溫下可以不產(chǎn)生或產(chǎn)生周期性表面裂紋。這種擠壓方法在后階段的變形是在可能發(fā)生結(jié)晶，也可能不發(fā)生再結(jié)晶的Ⅲ區(qū)中進(jìn)行的，會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的粗晶環(huán)組織。

高溫?cái)D壓：從圖看出，即使在相對較高的變形速度下，適當(dāng)?shù)靥岣邷囟纫材苁篃嶙冃伪M可能在不發(fā)生再結(jié)晶的1區(qū)中進(jìn)行。如果變形速度降低，則更不會出現(xiàn)再結(jié)晶組織。實(shí)際上，高溫條件下欲提高擠壓速度是有限的，因?yàn)樗俣燃涌炜赡苁箿囟壬脚R界溫度以上，產(chǎn)生周期性裂紋。實(shí)踐表明，2A12合金在450℃左右擠壓時(shí)，尾端粗晶環(huán)大為減輕；在400℃左右擠壓時(shí)，切尾600mm后，粗晶環(huán)深度為2mm左右，同樣450℃擠壓，粗晶環(huán)深度僅為0.1mm。

生產(chǎn)6063工業(yè)鋁型材時(shí)的組織控制：6061、6063、6A02等合金熔點(diǎn)溫度較高，變形抗力低，進(jìn)行高溫?cái)D壓時(shí)，變形速度可比2×××、7×××系合金快得多，也不會產(chǎn)生周期性裂紋，但溫度太高的工藝制度可能在Ⅳ區(qū)中進(jìn)行，不用淬火已全部發(fā)生再結(jié)晶。實(shí)際生產(chǎn)中很可能出現(xiàn)這種情況。

以上討論了擠壓溫度與速度對淬火組織的影響，下面討論變形程度與淬火組織的關(guān)系。

眾所周知，不同的擠壓方法使得工業(yè)鋁型材的淬火組織與性能有著比較明顯的差異，如反擠壓制品與正擠壓鋁型材產(chǎn)品比較，組織性能得到明顯改善，即使在同一正擠壓條件下，頭尾組織性能的差異也很明顯。原因就在于變形程度的差異或者說變形均勻性的差異所致。

這里所說的變形程度不是總平均變形率。對擠壓而言，總平均變形率很大，如上所說，一般要求達(dá)到90%-92%，最小也要達(dá)到80%，否則其力學(xué)性能就很難滿足要求。這里所說的變形程度是指在工業(yè)鋁型材產(chǎn)品的不同部位的變形率，即在長度方向的不同部位和橫截面上的不同部位的變形率。我們知道，鋁型材產(chǎn)品前段和產(chǎn)品中心變形程度小，盡管存在變形的不均勻性，但變形仍然維持在1區(qū)進(jìn)行，擠壓后儲存的內(nèi)能少，在淬火過程中不能有效地形成再結(jié)晶核心，即不會發(fā)生再結(jié)晶，保持為穩(wěn)定的多邊化亞晶組織；但后階段由于變形的不均勻性越來越嚴(yán)重，周邊與中心發(fā)生嚴(yán)重的剪切變形，周邊已進(jìn)入Ⅲ變形區(qū)，儲存的內(nèi)能較高，在淬火時(shí)能有效地形成再結(jié)晶核心 ，發(fā)生再結(jié)晶；而中心部分變形程度依然較小，保持在1變形區(qū)或2變形區(qū)變形，儲存的內(nèi)能比周邊少，故可能發(fā)生再結(jié)晶，也可能不發(fā)生再結(jié)晶。發(fā)生再結(jié)晶的部分與不發(fā)生再結(jié)晶的部分有了明顯的分界。單孔擠壓棒材時(shí)，產(chǎn)生以中心為對稱的粗晶環(huán)，圓環(huán)上粗晶的厚度對稱相等；多孔擠壓時(shí)產(chǎn)生月牙形粗晶環(huán)，粗晶環(huán)靠近擠壓筒壁一側(cè)；型材的粗晶環(huán)視鋁型材的不同而異。

在總變形程度相同的情況下，正擠壓產(chǎn)生粗晶環(huán)而反擠壓則基本上不產(chǎn)生粗晶環(huán)或在尾部產(chǎn)生很少量的粗晶環(huán)，是因?yàn)榉磾D壓錠坯與擠壓筒壁之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，在鑄錠外周不會產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切變形，外周與中心變形程度比較均勻；沿長度方向依次變形，也不存在變形程度的差異，不存在高能區(qū)，整個(gè)基本擠壓階段都在1區(qū)進(jìn)行，因而淬火過程中不發(fā)生再結(jié)晶。只是在擠壓結(jié)束階段時(shí)，鑄錠中心的金屬補(bǔ)充不足，外周金屬克服擠壓墊的摩擦，向中心流動(dòng)，產(chǎn)生剪切變形，內(nèi)能升高，淬火時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，出現(xiàn)粗晶環(huán)，而這種情況也是在減少壓余時(shí)才發(fā)生的。如保持正擠壓的壓余量，則整根工業(yè)鋁型材產(chǎn)品都可能不發(fā)生再結(jié)晶，自然也就不會出現(xiàn)粗晶環(huán)。

根據(jù)上述情況，擠壓工藝對工業(yè)鋁型材產(chǎn)品的組織有重要影響。欲使組織得到改善，對2 ×××、7×××系合金宜采用上限溫度擠壓；對不進(jìn)行在線淬火的6×××系合金宜用中限溫度擠壓，防止在后續(xù)淬火作業(yè)中發(fā)生二次結(jié)晶。擠壓宜低速運(yùn)行，以減少金屬流動(dòng)性的差異，盡可能使變形趨于均勻。