南南铝业股份有限公司 广西省南宁市 530000
摘要：目前，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，为了探讨空腔铝型材胀裂试验试样开裂的原因，选取典型试样进行了低倍组织观察和光学显微组织分析。对胀裂试样开裂及断口特征进行了细致观察和分析，并结合低倍组织和光学显微组织分析，总结了胀裂不合格原因判定准则。在此基础上，为提高空腔铝型材胀裂试验合格率，提出了预防开裂措施。
关键词：空腔铝型材；挤压；胀裂试验；原因
随着现代制造业的迅速发展，铝型材的应用领域越来越广泛，其品种和规格越来越多，断面形状越来越复杂。在众多品种规格中，空心型材占主导，而在此类型材中具有两个或多个异型孔（空腔）的空心型材又占很大部分。而空腔型材的挤压和生产，在实际中极不容易控制，出现的问题较多，其主要原因是此类型材模具的设计和制造都较为复杂。通过有关实例，就设计和制造此类模具进行探究，供同行参考。
1空腔型材断面的特点
有资料介绍，变形铝合金的挤压能力可用可挤压性来表示，但在实际中要确定型材的复杂程度往往有困难，型材的复杂程度一般可以由型材的周长与断面积之比来表示，此比值也称形状系数。但是，事实上此比值有不科学的一面，它不能反映真实的复杂程度。实际上空腔型材（如图1）都是较为复杂的。其复杂程度，之前人们仅凭经验去判断，当型材某处有制造难度或金属流动难以达到或供应时，就认为它是复杂的。而空腔型材的腔与腔的连接部分往往都是金属流动难以达到的地方，是挤压过程中最难成形的地方。因而，模具的合理设计与制造就显得特别重要。
2试验材料与方法
本试验所用试样分别取自两种不同规格空腔铝型材。合金及其状态分别为6061-T6（以下简称为1#试样）和6005A-T6（以下简称为2#试样）；试样长度为200mm；1#试样取自铸棒挤压型材的尾端；2#试样取自铸棒挤压型材的头端。胀裂试验所用压力机挤压力为1．5MN，压头角度为65°，试验在室温条件下进行，压头下压速度为25mm/min。试验前先将试样空腔中心位置与压头轴线对齐，试验过程中操作压力机使下头下降直至端部明显开裂为止。
肉眼对胀裂试样断裂特征进行观察，采用质量分数为50%的NaOH水溶液对胀裂试样进行浸蚀，肉眼观察浸湿后截面特征。在胀裂试样开裂处对应的位置取样，按照金相试样制备标准规范进行制样和浸蚀，并采用ZEISS光学显微镜观察其显微组织。
3试验结果
3.1胀裂试样断裂特征
胀裂试验完成后，在接近角部位置出现4个裂口。进一步观察断裂特征可以看出，4个断裂口均出现在型材角部位置；断裂裂纹沿挤压方向呈非直线型扩展；断口出现凹凸不平脆性断裂形貌。胀裂试验完成后，在接近角部位置出现2个较长的裂口。进一步观察断裂特征可以看出，2个断裂均出现在型材角部位置；裂纹沿挤压方向呈近似直线型扩展；裂纹断口呈现锯齿状，且断口与壁厚方向角度呈近似45°。
3.2胀裂试样低倍组织特征
试样胀裂后浸蚀低倍组织照片见图1所示。由图1可见，1#试样双线标识处为挤压焊合位置，方框位置为胀裂开裂区域，1#试样低倍组织存在明显表面粗晶层。2#试样所示为胀裂开裂的两个角部位置低倍组织图片，由于浸蚀时间较长，在挤压横向焊合区域出现明显腐蚀特征差异，可以清晰地看到有横向焊合痕迹，但断裂并没有出现在横向焊合界面处呈“C”字形，而是出现在纵向焊合线和横向焊合接近处一定距离内。
.png)
图1胀裂试样低倍组织特征
3.3金相显微组织结果
为明确胀裂试样开裂与铝型材内部组织的关系，对开裂试样取样进行了金相显微组织分析。在角部位置整个壁厚范围内存在粗大晶粒，且在角部附近存在粗晶区和细晶区的界面。纵向焊合线与横向焊合处组织连续特征，无明显焊合不良痕迹，且部分区域无明显挤压纵向焊合痕迹，但经浸蚀后可清晰观察到挤压横向焊合界线。
4胀裂不合格的解决办法及其预防措施
在我国快速发展的过程中，在生产检验中发现胀裂不合格时，标准中要求是将整批次型材报废或逐根型材进行胀裂试验，合格者交货，不合格者报废。这无疑增大了检验工作量，且产品成品率降低。因此，根据胀裂不合格原因及其判定准则，分析并提前制定预防措施，或根据检验结果有针对性地制定解决办法。对于空腔铝型材如果采用分流模具挤压，会出现相邻两股金属之间的焊合，通常沿挤压方向焊合，故称之为纵向焊合。对于连续挤压过程，上一铸锭残余在分流孔和焊合室的金属会在下一铸锭挤压过程中逐步被带出模具，形成两铸锭的结合界面，通常称之为横向焊合。挤压型材的粗晶层是由于挤压过程中金属变形不均匀，以及再结晶现象导致的表面存在粗晶，而内部存在纤维状组织或细晶区。因此，胀裂不合格的解决办法和预防措施需针对挤压纵向焊合不良、横向焊合、粗晶和缩尾进行。根据实际生产控制经验，典型的解决和预防措施包括：1）对于有胀裂性能要求的产品，在试模阶段就要按照规范的挤压生产工艺试挤产品，且在挤压材时效后取样进行胀裂试验。若出现典型挤压纵向焊合不良所致不合格，可以通过对模具沉桥、减小焊合角角度等修模方式提高焊合质量。同时，检查设备压余剪刀是否漏油，压余剪切后模具表面残铝是否平整，并通过维修和调整设备使其得到修正。2）若出现因横向焊合导致的胀裂不合格，应根据低倍试样检验结果，确定合理的切头长度，直至胀裂合格，并按此切头长度控制锯切工序。3）若出现因粗晶导致的胀裂不合格，应根据粗晶出现的位置，通过缩减模具工作带、降低挤压温度、增大在线冷却强度、调整合金成分等方式控制。4）在试挤和生产过程中，也要找到经常导致胀裂不合格的原因，根据积累的经验，提前对合金成分、挤压生产工艺、模具结构进行针对性策划和设计，同时对挤压头润滑、压余剪切、排气、清缸等操作进行严格规范，做好预防胀裂不合格的工作。
结语
通过对典型产品胀裂试样进行开裂组织特征、低倍特征和显微组织特征观察与分析，并结合实际生产经验，得出如下结论：1）T6状态的6061铝合金型材，胀裂试样开裂是粗晶区和细晶区界面结合力较弱所致；T6状态的6005A铝合金型材，胀裂试样开裂原因是薄壁位置或型材截面突变处存在挤压横向焊合界面，界面焊合不良。2）胀裂试样不合格的原因包括挤压纵向焊合不良、挤压横向焊合、粗晶层，并根据实际生产经验总结了四种胀裂试样不合格原因判定准则。3）胀裂不合格的预防措施，要从合金成分、铸棒质量、挤压工艺、模具结构设计等方面有针对性地控制挤压纵向焊合不良、横向焊合、粗晶层的缺陷，从而提高胀裂合格率。
参考文献：
[1］王兴瑞，肖栋，程仁寨，张洪辉，杨焕军，刘洋．旋翼飞机用桨叶铝型材的生产工艺［J］．轻合金加工技术，2015，43（11）：39－40．
［2］孙巍，李鹏伟，王彦俊，李延军，刘兆伟，曹振华．轨道车辆用6N01铝合金型材挤压焊合线形态的研究［J］．轻合金加工技术，2012，40（5）：33－36．
［3］王岗，刘坚，程仁寨，宋明浩．控制2024铝合金挤压棒材粗晶环的工艺研究［J］．轻合金加工技术，2013，41（4）：36－40．
论文作者:罗福龙
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/13
标签：试样论文; 型材论文; 空腔论文; 不合格论文; 组织论文; 横向论文; 特征论文; 《建筑模拟》2018年第27期论文;