高强度铝合金管材热挤压工艺及力学性能分析

高强度铝合金管材热挤压工艺及力学性能分析

白文全

广西南南铝加工有限公司广西南宁530000

摘要：高强度铝合金材料密度低、质量轻、力学性能稳定，但基体之间容易出现孔隙，增强体和基体之间会存在不均匀的情况。高强度铝合金材料经过热挤压二次塑性加工后，基体晶粒的偏聚现象得到控制，分布更为均匀，铝合金材料的致密度和强度均得到明显提高。

关键词：热挤压；高强度铝合金；力学性能

1前言

7050铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，该系合金强度可达600MPa以上，属可热处理强化型铝合金。7050系合金不仅强度高，在相同条件下，塑性和断裂韧度也优于其他系列的铝合金，并且热加工成形性较好。因此，在航天、航空、兵器、交通运输及建筑业等行业，尤其在飞机制造业得到广泛应用。由于7050铝合金的化学成分复杂，铸件的裂纹倾向较大，枝晶偏析严重，铸件表面易形成气泡。因此，通过控制不同的铸造、加工、成形工艺、热处理等工艺方法，找出7050铝合金的最优生产方式，是发展高性能铝合金的重要方向。7050铝合金中过剩相比较多，铸锭均匀化处理是获得良好性能的关键，而不同方法获得的铸锭中过剩相又有差别。

2热挤压处理对铝合金材料力学性能的影响

2.1实验材料制备流程

材料制备工艺流程为：雾化制粉→粉末过筛→真空包套→热挤压→机加工制样→性能测试。把配置好的高强度铝合金在感应炉中加热熔化、精炼和脱氧，金属液流经漏嘴流入喷雾装置里，被高压气体破碎后的金属液滴直接装入离喷嘴约200mm处的高压流水里，在进行冷却，冷却后的高强度铝合金粉末浆料经过筛网，过滤粗大的金属及杂质，在通过高速旋转的甩干机进行脱水处理，经过烘干、过筛得到实验所需材料。

2.2高强度铝合金材料的热挤压处理实验

实验使用7075高强度铝合金材料，熔炼高强度铝合金材料的器具为石墨坩埚。将坩埚的温度控制在800摄氏度，待温度保持在800摄氏度时，加入催化剂Al-Ti-B搅拌均匀。把制作的实验材料分别经过孔径是0.154mm和0.071mm的筛子进行筛分，获得不同类型的材料，粉末的化学组成为Al-28%，Si-1%，Cu-1%，Mg-1%，Fe(质量分数）在合金粉末中加入0.5%脂酸锌，混粉15min，然后将粉末冷压成相对密度为70%～80%的生坯，装入纯铝包套内，除气后将坯料和热挤压模具放入加热炉中加热、保温，加热温度为500℃，保温时间1h，取出即进行热挤压试验，模具涂以少量汽缸油和石墨混合润滑剂，挤压比为17(生坯和挤压棒直径分别为50mm和12mm），挤压锥角90°。将热挤压得到的挤压棒车去包套待用。为了研究挤压过程中材料的组织结构，在部分挤压实验中进行一部分坯料留在阴模内，取出这部分坯料制成试样，测量密度，分析微观组织和相结构，并与生坯和挤压棒进行比较。用排水法测量试样密度，电子天平感量为0.1mg，密度测试试样尺寸为10mm×10mm×10mm。在MeF3型金相显微镜下观察微观组织。在D/Max-ⅢA型X射线衍射仪上进行材料相结构分析，采用CuKα靶，石墨单色滤片，步长0.1°

2.3热挤压对铝合金各项力学性能影响结果分析

经过热挤压处理后的高强度铝合金在材料密度、材料气密性及力学综合性能上都有改善和提高。

2.3.1挤压力的变化随着上模冲向下运动，挤压力逐渐增大，但坯料仍留在阴模内，并未被挤出。在本实验条件下，当挤压力升至9×105～1×106N(即挤压载荷为485MPa）时，坯料开始从挤压嘴流出。随后的挤压力逐渐减小，在7×105N左右趋于稳定直至坯料全部流出。由于设备条件的限制，本实验没有得到精确的挤压载荷—位移曲线。挤压力降低并趋于稳定的原因有：坯料与模具的接触面积随着挤压试棒的挤出逐渐变小，因此挤压所需克服的摩擦阻力也逐渐减小。在热塑性变形过程中容易通过位错的攀移和交滑移产生动态回复，从而导致材料软化等等。

2.3.2热挤压对铝合金密度影响

首先是铝合金材料在密度上的变化。在对高强度铝合金材料进行挤压处理时，随着挤压温度和挤压强度的不断升高，材料的密度也会随着提高。当挤压强度不断增加的过程中，铝合金粉末在固溶强化下发生结晶，原来晶体间的孔隙逐渐消失，导致材料的致密度提高。（1）随着挤压载荷的增加，生坯的致密度逐渐增大至接近全致密材料，这类似于一个热压过程；

（2）当挤压载荷升至最高值时，坯料开始从挤压嘴流出，这一阶段材料的密度只有微小的增加，而挤压载荷逐渐降低并趋于稳定，故为一个稳态流动过程。因此，实验密度的实测值和理论计算值很相近，说明采用热挤压工艺能够制备出高强度铝合金，且铝合金的密度有较高的相同性。

2.3.3热挤压对铝合金微观组织变化影响

其次是铝合金材料在气密性方面的变化。高强度铝合金材料在热挤压前晶体颗粒的形状不规则，呈现长水滴状，气密性高。采用热挤压工艺处理后，原本比较松散的晶体组织结构遭到破坏，有助于晶体颗粒之间形成良好的再结合，得到非常致密的铝合金材料，气密性降低。

本实验条件下，热挤压过程没有导致新相产生和晶粒尺寸的明显变化，也就是说，快速凝固的组织和结构特征没有因热挤压过程而受到破坏。随着比压的增加，高强度铝合金的抗拉强度曲线单调上升。热挤压处理后高强度铝合金组织的均匀性得到提高，导致了晶体协调性的滑移。如果高强度铝合金晶粒越小，则晶界到位错源的距离越小，因此应力集中就越小。可以得出热挤压材料的力学性能和比压存在对应的关系，比压越大，高强度铝合金材料的综合力学性能越好。当比压达到一定程度时，高强度铝合金的力学性能保持在固定的水平不变。

3结束语

影响挤压后零件性能的主要因素有变形温度、模具预热温度、变形程度、润滑方式。挤压件的机械性能主要取决于变形温度、变形程度和变形速度等工艺参数。要获得挤压后的良好的组织性能和机械性能，必须严格控制其工艺参数。变形温度是决定挤压件的组织和机械性能的主要因素之一。变形温度的选择，除考虑提高合金的塑性和减小变形抗力之外，更重要的是保证挤压件具有良好的综合机械性能。变形程度对挤压件组织和机械性能的影响随变形温度的不同而不同。挤压时热效应大小是和金属的温度、挤压速度和挤压比的大小有关。为了避免因毛坯局部过热，而造成粗晶组织，在挤压时，可通过降低温度来进行；在压力机上挤压时，可通过调节速度，使热效应产生热量与模具导热引起的热损失基本上互相抵消，保证足够均匀的变形条件。

参考文献

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