铝合金塑性加工基础知识.docx
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铝合金塑性加工基础知识
铝合金塑性加工基础知识
一．挤压的基本方法
1.挤压，就是对放在容器（挤压筒）中的锭坯一端施加以压力，使之通过模孔成型的一种压力加工方法。
挤压最基本的方法是正挤压和反挤压。
正挤压是金属的流动方向和挤压杆的运动方向相同。
反挤压是金属的流动方向和挤压杆的运动方向相反。
2.挤压法的优缺点
（1）挤压法的优点：
A．有强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性。
B.可以生产断面极其复杂以及变断面的型材。
C.具有极大的生产灵活性，在一台设备上能够生产很多的产品品种和规格。
D.产品尺寸精确，表面质量高。
E.实现生产过程自动化和封闭化比较容易。
（2）挤压法的缺点：
A.金属的固定废料损失较大；要填塞模孔和留压余及切头切尾。
B.加工速度低。
挤压时的摩擦热和变形热高，制约了挤压速度，另外加工辅助过程较多，制约了生产效率。
C.沿长度和断面上制品的组织和性能不够均一。
D.在高温、高压和反复冲击载荷的作用下，工模具消耗大。
二．金属流动
（一）挤压时金属流动的三个阶段：
1.填充挤压阶段
2．平流挤压阶段
3.紊流挤压阶段
（二）影响金属流动的因素:
1.接触摩擦与润滑
2.工模具与锭坯温度的影响
A.锭坯横断面上温度分布不均的影响
a．工具的冷却作用
b．金属导热性的影响
B.在相变温度下挤压，相变会对金属流动产生影响。
C．摩擦条件的影响，温度变化，合金的摩擦系数会产生变化。
3.合金强度特性的影响
强度高的金属比强度低的金属流动均匀。
4.工模具结构与形状的影响
A．挤压模
B．挤压筒
C．挤压垫
5.变形程度的影响
通过上述对金属流动影响因素的分析，可以把它们归纳如下：
属于外部因素的有：
外摩擦、温度、工具形状以及变形程度等。
属于内部因素的有：
合金成分、金属强度、导热性和相变等。
三．挤压力
挤压力——挤压杆通过挤压垫作用在锭坯上使之依次流出模孔的压力。
1.影响挤压力的因素
A.挤压温度和变形抗力
挤压力的大小与金属的变形抗力成正比例关系。
B.变形程度
随着变形程度的增大，挤压力成正比例升高。
C.挤压速度
挤压速度对挤压力的影响，也是通过变形抗力的变化起作用的。
D.摩擦
在挤压筒、变性区和工作带内的金属，都承受了基础面上的摩擦作用。
这些摩擦阻力是挤压力的组成部分。
E.挤压模角
锥形挤压模的模角a对挤压力有着明显的影响。
F.制品断面复杂程度
型材断面周长
C1=——————————
等断面圆周长
当C1＞1.5时，制品断面形状就会对挤压力产生较为明显的影响。
G.锭坯长度
锭坯和挤压筒存在较大摩擦，锭坯越长，挤压力越大。
H.挤压方法
反向挤压不存在锭坯和挤压筒的摩擦，所需的挤压力较正向挤压低。
四．挤压时的温度场
（一）锭坯及工具中的温度
1.锭坯中的温度场
锭坯中的温度分布与锭坯加热方法有关。
现在最先进的锭坯加热方法为感应加热。
在挤压时，变形能的95%变为热能，锭坯的原始温度场还要加上变形热引起的附加温度场。
因此，被挤压的锭坯中的温度场是非常不均匀的。
在一般情况下，对塑性区内金属平均温度有影响的是如下一些热源：
A.生成热
B.逸散热
2.工具中的温度场
在挤压过程中，工具的温度也发生变化，由于强烈的摩擦和比铝的导热性，工具某些部位的温升要比挤压金属的温升高得多。
3.挤压条件对金属温度的影响
A.挤压速度：
随着挤压速度的提高，缩短了金属与工具间的导热时间，于是金属温度升高。
B.变形抗力：
变形能转变成热能直接受变形抗力的影响。
C.工具与锭坯间的温差：
温差越大，被挤压的金属温度越低，锭坯中的温度分布变得越不均匀，从而变形和流动的不均匀性增大，其结
果导致制品的组织和性能不均匀。
D.挤压方法的影响：
正挤压时，由于锭坯与筒壁间的摩擦作用，所放出的热量比反挤压多15%左右。
（二）金属温度的调节
1.降低挤压速度
2.降低锭坯的原始温度
3.改变工具的温度
4.锭坯梯温加热
五．挤压制品的组织性能和质量控制
1.挤压制品的组织
A.挤压制品组织的不均匀性
挤压制品组织的特点是，在其断面上和长度上都很不均匀。
一般来说，沿制品长度上，前端晶粒粗大后端细小。
沿断面径向上中心晶粒粗大外层细小。
B.挤压制品的粗大晶粒
许多具有实用价值、通常成分复杂的合金在热变形后的热处理中，经常会形成异常大的晶粒，其晶粒尺寸超过原始晶粒尺寸的10——100倍，比临界变形后热处理所形成的再结晶晶粒大得多，晶粒这种异常长大的过程称为粗化，这种组织称为粗晶粒。
C.挤压制品的层状组织
其特征是制品折断后的断口呈现出与木质相识的形貌。
2.挤压制品的机械性能
A.挤压制品机械性能的不均匀性
挤压制品的变形与组织的不均匀性，必然导致内部机械性能的不均匀性。
当挤压比较小时，制品的内部和外层的机械性能不均匀性较为严重；当挤压比很大时，制品的内部和外层性能基本一致。
B.挤压效应
某些铝合金经过同一热处理——淬火与时效后，发现制品纵向上的抗拉强度要比其他压力加工的高，而延伸率较低的现象，称为挤压效应。
3.挤压制品的质量控制
A.制品断面形状与尺寸
影响因素有：
a．挤压时的流动不均匀性
b．工作带过短，挤压速度和挤压比过大，可能产生工作带内的非接触变形。
c．模孔变形
d．工模具不对中或变形
B.制品长度上的形状
a．弯曲
b．扭拧
C.制品表面质量
挤压制品表面应清洁、光滑，不允许有起皮、气泡、裂纹、粗划道、夹杂以及腐蚀斑点，允许表面有深度不超过直径与壁厚允许偏差的轻微擦伤、划伤、压坑、氧化色和矫直痕迹等。
对需继续加工的毛料，可在挤压后进行表面修理以保证产品质量。
D.制品组织与性能
对成品或毛坯，都要求低倍组织不得存在偏析聚集、缩尾、裂纹、气孔、成层以及外来夹杂物，要求粗晶环的深度不超过允许值，高倍显微组织不得过烧。
4.挤压工艺参数对制品组织性能的影响
A.挤压温度
B.挤压速度
实际生产中，挤压速度是受挤压温度制约。
挤压温度高，挤压速度就应适当放低，保证工模具散热。
C.变形程度
六．挤压工艺
1.金属的可挤压性
可挤压性的含义是指金属以高的流出速度和低的压力挤压的相对能力。
可挤压性与合金的化学成分和制品的外形有关。
2.影响金属可挤压性的因素
A.化学成分的影响
B.铸锭热处理的影响：
铸锭在挤压前进行均匀化退火处理能够提高金属的可挤压性。
C.晶粒度的影响
D.浇铸方法和熔体处理方法的影响：
熔铸的化学成分和组织的过分不均一是造成合金工艺塑性不良的原因之一。
3.挤压的温度条件
变形温度与变形程度对挤压过程和制品的组织性能有很大的影响。
4.挤压的速度条件
挤压时的速度有3种：
挤压速度Vj、金属流出速度Vt和变形速度。
挤压时温度与速度是联系在一起的。
一般来说，提高挤压速度必须降低锭坯的加热温度。
反之，提高了挤压温度就必须降低挤压速度。
限制提高金属流速的因素：
A.工艺因素
a．制品的表面裂纹
b．制品的表面质量
c．制品的尺寸和形状精度
d．制品的焊缝质量
B.技术因素
a．挤压操作的辅助时间和锭坯的长度
b．液压传动装置的生产能力极其特点
c．锭坯加热设备的生产能力
C.经济因素
5.锭坯的选择
6.挤压制品的热处理
A.挤压机上在线连续淬火
B.挤压制品的时效
附录一变形铝合金的分类
变形铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下三种方法进行分类。
（1）按合金状态图及热处理特点分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。
可热处理强化铝合金如：
纯铝、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si系合金。
不可热处理强化铝合金如：
Al-Mg-Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg系合金。
（2）按合金性能和用途可分为：
工业纯铝、光辉铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金（硬铝）、超高强度铝合金（超硬铝）、锻造铝合金及特殊铝合金等。
（3）按合金中所含主要元素成分可分为：
工业纯铝（1xxx系），Al-Cu合金（2xxx系），Al-Mn合金（3xxx系），Al-Si合金（4xxx系），Al-Mg合金（5xxx系），Al-Mg-Si合金（6xxx系），Al-Zn-Mg-Cu合金（7xxx系），Al-Li合金（8xxx系）及备用合金组（9xxx系）。
这三种分类方法各有特点，有时相互交叉，相互补充。
在工业生产中，大多数国家按第三种方法，即按合金中所含主要元素成分的4位数码法分类。
这种分类方法能较本质的反映合金的基本性能，也便于编码、记忆和计算机管理。
我国目前也采用4位数码法分类。
附录二变形铝合金的牌号及状态表示法
一、中国变形铝及铝合金牌号及状态表示方法
1.中国变形铝及铝合金牌号及表示方法
根据新制定的GB/T16474-1996“变形铝及铝合金牌号表示方法”，凡是化学成分与变形铝及铝合金国际牌号注册协议组织（简称国际牌号注册组织）命名的合金相同的所有合金，其牌号直接采用国际四位数字体系牌号，未与国际四位数字体系牌号的变形铝合金接轨的，采用四位字符牌号（但试验铝合金在四位字符牌号前加X）命名，并按要求注册化学成分。
四位字符牌号命名方法应符合四位字符体系牌号命名方法的规定。
四位字符体系牌号的第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母（C\I\L\N\O\P\Q\Z字母除外）。
牌号的第一位数字表示铝及铝合金的组别，如工业纯铝（1xxx系），Al-Cu合金（2xxx系），Al-Mn合金（3xxx系），Al-Si合金（4xxx系），Al-Mg合金（5xxx系），Al-Mg-Si合金（6xxx系），Al-Zn-Mg-Cu合金（7xxx系），Al-Li合金（8xxx系）及备用合金组（9xxx系）。
。
除改型合金外，铝合金组别按主要合金元素来确定，主要合金元素指极限含量算术平均值为最大的合金元素。
当有一个以上的合金元素极限含量算术平均值同为最大时，应按
Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn、其他元素的顺序来确定合金组别。
牌号的第二位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度。
我国的变形铝及铝合金表示方法与国际上较通用的方法基本一致。
2.变形铝铝合金状态代号及表示方法
根据GB/T16475-1996标准规定，基础状态代号用一个英文大写字母表示。
细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯数字表示。
A.基础状态代号
基础状态代号分为5种，如下表所示。
代号
名称
说明与应用
F
自由加工状态
适用于在成型过程中，对于加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品，该状态产品的力学性能不作规定
O
退火状态
适用于经完全退火获得最低强度的加工产品
H
加工硬化状态
适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工硬化后可经过（也可不经过）使强度有所降低的附加热处理
H代号后面必须跟有两位或三位阿拉伯数字
W
固溶热处理状态
一种不稳定状态，仅适用于经固溶热处理后，室温下自然时效的合金，该状态代号仅表示产品处于自然时效阶段
T
热处理状态
（不同于F、O、H状态）
适用于热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到稳定状态的产品
T代号后面必须跟有一位或多位阿拉伯数字
B．T（热处理）的细分状态，即在字母T后面添加一位或多位阿拉伯数字表示T的细分状态。
a．TX状态：
在T后面添加010的阿拉伯数字，表示的细分状态称做TX状态，如下表所示。
T后面的数字表示对产品的基本处理程序。
状态代号
说明与应用
T0
固溶热处理后，经自然时效再通过冷加工的状态
适用于经冷加工提高强度的产品
T1
由高温成型过程冷却，然后自然时效至基本稳定的状态
适用于由高温成型过程冷却后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品
T2
由高温成型过程冷却，经冷加工后自然时效至基本稳定的状态
适用于由高温成型过程冷却后，进行冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品
T3
固溶热处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定的状态
适用于在固溶热处理后，进行冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品
T4
固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态
适用于固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品
T5
由高温成型过程冷却，然后进行人工时效的状态
适用于由高温成型过程冷却后，不经过冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限），予以人工时效的产品
T6
固溶热处理后进行人工时效的状态
适用于固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品
T7
固溶热处理后进行过时效的状态
适用于固溶热处理后，为获取某些重要特性，在人工时效时，强度在时效曲线上越过了最高峰点的产品
T8
固溶热处理后经冷加工，然后进行人工时效的状态
适用于经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品
T9
固溶热处理后人工时效，然后进行冷加工的状态
适用于经冷加工提高强度的产品
T10
由高温成型过程冷却后，进行冷加工，然后人工时效的状态
适用于经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品
注：
某些6xxx系的合金，无论是炉内固溶热处理，还是从高温成型过程急冷以保留可溶性组分在固溶体中，均能达到相同的固溶热处理效果，这些合金的T3、T4、T6、T7、T8和T9状态可采用上述两种。
（注：
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