自学-失效分析实例2—挤压粗晶环控制方法的探讨

1、某铝业公司某铝业公司60616061铝合金型材铝合金型材挤压粗晶环控制措施的探讨挤压粗晶环控制措施的探讨潘清林潘清林 中南大学材料学院中南大学材料学院产品断面形状与产品断面形状与尺寸尺寸? ?产品粗晶环照片产品粗晶环照片粗晶层粗晶层3mm以下，以下，OK品品粗晶层粗晶层3mm以上，以上，NG品品 全部粗晶，全部粗晶，NG品品粗晶环形成主要原因粗晶环形成主要原因 变形不均匀变形不均匀 在无铸棒梯度加热的正向挤压过程，挤压各区金属的温度是不同的，在无铸棒梯度加热的正向挤压过程，挤压各区金属的温度是不同的，金属不均匀变形和不均匀流动是绝对的，从而导致粗晶环形成。金属不均匀变形和不均匀流动是绝对的，从

2、而导致粗晶环形成。 合金的再结晶温度低，易发生再结晶合金的再结晶温度低，易发生再结晶 挤压过程中，铸锭表面与挤压筒壁、死区金属与模孔工作带剧烈摩擦，挤压过程中，铸锭表面与挤压筒壁、死区金属与模孔工作带剧烈摩擦，从而产生强烈的剪切变形，晶粒和晶界化合物遭到严重破坏，晶粒内部和从而产生强烈的剪切变形，晶粒和晶界化合物遭到严重破坏，晶粒内部和晶粒间积累较高的畸变能，使其再结晶温度低。晶粒间积累较高的畸变能，使其再结晶温度低。1、成分优化与控制、成分优化与控制国标成分：国标成分：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某铝业公司成分：某铝业公司成分：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 可以适当提高可以适当提高Mg、Si，将，将Mg2Si量控制在量控制在1.58左右，过剩左右，过剩Si量量0.14%左右。左右。 Mn 、Cr Cr、Mn与与Al形成形成CrAl7、MnAl6金属化合物。在热挤压变形过程中，起钉扎作用，降低金属化合物。在热挤压变形过程中，起钉扎作用，降低不均匀变形程度。不均匀变形程度。 在强应力作用下，部分在强应力作用下，部分CrAl7、MnAl6以弥散质点状态析出并聚集在晶界上。弥散

4、质点析以弥散质点状态析出并聚集在晶界上。弥散质点析出物对亚结构的多边化和稳定化起主要作用，使晶核形核率和长大速率都下降，再结晶温出物对亚结构的多边化和稳定化起主要作用，使晶核形核率和长大速率都下降，再结晶温度提高。度提高。 Fe 一般而言，在一般而言，在6061铝合金中，铝合金中，Fe元素会降低合金力学性能，但是有研究表明，元素会降低合金力学性能，但是有研究表明， Fe与与Al、Mn会形成会形成FeAl3、(FeMn) Al6等弥散相，可以阻碍再结晶晶粒长大，减少粗晶环产生。等弥散相，可以阻碍再结晶晶粒长大，减少粗晶环产生。建议：适当增加建议：适当增加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）改进措施的探讨改进措施的探讨2、熔铸工艺、熔铸工艺某铝业公司熔铸工艺参数某铝业公司熔铸工艺参数: :？u熔化温度：熔化温度：750u精炼温度：精炼温度：730750u铸造温度：铸造温度：700720u铸造速度：铸造速度：100mm/minu冷却水温度：冷却水温度：3032u冷却水压力：冷却水压力：0.05MPa0.10MPau精炼剂用量：精炼剂用量：0.25u氮气纯度：氮气纯度：99.9953、均匀化处理、均匀化处理某铝业公司均匀化制度：某铝业公司均匀化制度：570/5h（冷却方式？）（冷却方式？）针对针对6061合金铸锭

6、是否采取均匀化退火，说法不一。合金铸锭是否采取均匀化退火，说法不一。在铸造过程中，由于冷速快，在铸造过程中，由于冷速快，CrAl7、MnAl6相来不及充分地从基体相来不及充分地从基体中析出。中析出。均匀化退火中，均匀化退火中，CrAl7、MnAl6相从基体中析出，在高温长时间的作相从基体中析出，在高温长时间的作用下，用下，CrAl7、MnAl6弥散质点聚集长大，从而使弥散质点聚集长大，从而使6061铝合金再结晶铝合金再结晶温度降低和阻止再结晶能力减弱，导致粗晶环产生。温度降低和阻止再结晶能力减弱，导致粗晶环产生。某铝业公司的部分挤压工艺参数：某铝业公司的部分挤压工艺参数：? ?u挤压筒加热温度

7、：挤压筒加热温度：400u铸锭加热温度：铸锭加热温度：560，冷却至，冷却至520开始挤压开始挤压u挤压速度：挤压速度：u冷却方式与速度：冷却方式与速度：u挤压比：挤压比：4、挤压工艺、挤压工艺u 挤压温度是由铸锭加热温度，挤压筒加热温度，模具加热温度以及挤压速挤压温度是由铸锭加热温度，挤压筒加热温度，模具加热温度以及挤压速度所决定的。度所决定的。u 在挤压过程中，起始温度低，终了温度高，对同一横截面来说，中心部位在挤压过程中，起始温度低，终了温度高，对同一横截面来说，中心部位温度低，边缘温度高。挤压速度快，温升高。温度低，边缘温度高。挤压速度快，温升高。 u在其他工艺条件不变的情况下，随着挤

8、压温度的增高，粗晶环的深度增加。在其他工艺条件不变的情况下，随着挤压温度的增高，粗晶环的深度增加。这是由于挤压温度升高后，金属的变形阻力降低，变形不均匀性增加。高温挤这是由于挤压温度升高后，金属的变形阻力降低，变形不均匀性增加。高温挤压有利于第二相的析出与聚集，降低了再结晶温度，减弱了对晶粒长大的阻碍压有利于第二相的析出与聚集，降低了再结晶温度，减弱了对晶粒长大的阻碍作用。作用。u挤压温度低，金属处于相变温度以下时易形成粗晶环，对需要严格控制粗晶挤压温度低，金属处于相变温度以下时易形成粗晶环，对需要严格控制粗晶环深度的制品，使挤压温度控制在单相区内（或接近于从两相区向单相区转变环深度的制品，使

9、挤压温度控制在单相区内（或接近于从两相区向单相区转变的温度时）即进行高温挤压。的温度时）即进行高温挤压。u当挤压筒温度高于坯料温度时，将促使不均匀变形程度减轻、减小粗晶环深当挤压筒温度高于坯料温度时，将促使不均匀变形程度减轻、减小粗晶环深度。度。 挤压温度挤压温度u 挤压速度对挤压速度对6061铝合金粗晶环的影响，主要是通过金属的热平衡和热挤压铝合金粗晶环的影响，主要是通过金属的热平衡和热挤压材料的冷却强度来体现。材料的冷却强度来体现。u 挤压速度低，铸锭因摩擦作用而产生的温升小，不利于粗晶环的形成；挤压速度低，铸锭因摩擦作用而产生的温升小，不利于粗晶环的形成；但但在稍低的温度下金属在变形区逗

10、留时间长，又有利于再结晶形核和再结晶晶粒在稍低的温度下金属在变形区逗留时间长，又有利于再结晶形核和再结晶晶粒长大。挤压材因挤压速度低从挤压模出口到水槽需要的时间长，也同样有利于长大。挤压材因挤压速度低从挤压模出口到水槽需要的时间长，也同样有利于再结晶晶粒的长大。再结晶晶粒的长大。u 在保证型材表面质量的条件下，采用快速挤压工艺，反而有利于抑制粗晶在保证型材表面质量的条件下，采用快速挤压工艺，反而有利于抑制粗晶环的生成。如果设备条件许可，采用环的生成。如果设备条件许可，采用低温快速挤压低温快速挤压工艺更不易产生粗晶环。工艺更不易产生粗晶环。 挤压速度挤压速度u型材的冷却速度是影响粗晶环的重要因素

11、。型材的冷却速度是影响粗晶环的重要因素。u粗晶的形核和长大是一个物理过程，总是需要一段时间才能完成。粗晶的形核和长大是一个物理过程，总是需要一段时间才能完成。u如果对挤压材采取快速冷却，在再结晶晶核尚未形成或者晶核已形成但晶如果对挤压材采取快速冷却，在再结晶晶核尚未形成或者晶核已形成但晶粒还未长大时，型材已冷却到再结晶温度以下，粗晶环不再产生。粒还未长大时，型材已冷却到再结晶温度以下，粗晶环不再产生。u对挤压对挤压6061铝合金材料，在铝合金材料，在挤压机头设置一个适当长度的水槽挤压机头设置一个适当长度的水槽，对应力变，对应力变形小的棒材、管材、厚簿均匀的型材进行形小的棒材、管材、厚簿均匀的型

12、材进行穿水冷却穿水冷却，对应力变形大而又难以，对应力变形大而又难以矫正的型材进行矫正的型材进行水雾冷却水雾冷却，是克服粗晶环生成又一行之有效的工艺措施。，是克服粗晶环生成又一行之有效的工艺措施。 冷却速度冷却速度 挤压模具挤压模具u模具设计时，应尽可能使铝合金在模具内均匀变形，减少与工作带的剧烈摩模具设计时，应尽可能使铝合金在模具内均匀变形，减少与工作带的剧烈摩擦，降低变形功和挤压过程的温升。擦，降低变形功和挤压过程的温升。u分流模设计时，分流孔对铝合金的分流要均匀、合理，尽量降低阻力。分流模设计时，分流孔对铝合金的分流要均匀、合理，尽量降低阻力。u工作带长度要适当，既要保证成形性能好，也应使

13、铝合金均匀变形，摩擦阻工作带长度要适当，既要保证成形性能好，也应使铝合金均匀变形，摩擦阻力小。力小。 挤压比挤压比u挤压比要适当。挤压比要适当。 挤压比小，对减少粗晶环有利，但挤压材的变形程度小，仍然保留有铸造挤压比小，对减少粗晶环有利，但挤压材的变形程度小，仍然保留有铸造组织，型材力学性能下降。组织，型材力学性能下降。 挤压比过大，必然会使不均匀变形程度增大，挤压力上升，摩擦温升上升，挤压比过大，必然会使不均匀变形程度增大，挤压力上升，摩擦温升上升，促进粗晶环的生成。促进粗晶环的生成。建议：挤压工艺改进措施建议：挤压工艺改进措施u低温快速挤压低温快速挤压+快速冷却（高温挤压快速冷却（高温挤压

14、+快速冷却）快速冷却）u合适的挤压比：合适的挤压比：10-20u合理的模具结构合理的模具结构 一般来讲，对于一般来讲，对于6061铝合金：铝合金：u挤压筒加热温度通常设定在挤压筒加热温度通常设定在430450，最高不超过，最高不超过500。u铸棒加热温度为铸棒加热温度为460500u模具加热温度模具加热温度430460，用分流模挤压温度取上限，平，用分流模挤压温度取上限，平模挤压取下限。模挤压取下限。u挤压速度：挤压速度：3-5m/min建议的具体改进方案（措施）建议的具体改进方案（措施）u方案一：方案一： 铸锭不采用均匀化处理铸锭不采用均匀化处理 挤压后快冷：液氮、穿水或喷水冷却（挤压后快冷：液氮、穿水或喷水