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作者：鄭曉敏

1  金屬擠壓工藝極限圖

    軟鋁合金主要包括lx××、3xx×及6×××系的大部分鋁合金，是最適合于采用快速熱擠壓的鋁合金，如1×××、3×××等鋁合金的擠壓速度可達(dá)200m/min以上，而6063等鋁合金可達(dá)100 m/min以上，這樣可充分發(fā)揮合金的潛在能力，大大提高擠壓產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)可減少擠壓生產(chǎn)線，節(jié)約設(shè)備投資、基建費(fèi)用和占地面積。對于促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展和鋁合金擠壓的進(jìn)步都具有重大意義。但其擠壓速度的提高不僅僅取決于合金成分，而且還取決于擠壓工藝的合理匹配。

    金屬擠壓的工藝參數(shù)很多，如擠壓力、擠壓溫度、擠壓速度、擠壓變形程度、制品的形狀與尺寸、制品的性能要求、錠坯的形狀與尺寸、擠壓機(jī)的能力與擠壓筒尺寸等等。但決定擠壓制品質(zhì)量、成品率和生產(chǎn)效率的重要工藝參數(shù)主要是擠壓速度、擠壓溫度和錠坯尺寸，如果這三個(gè)參數(shù)能優(yōu)化匹配，特別是擠壓速度和擠壓溫度能優(yōu)化匹配就能成批地生產(chǎn)出成品率高、生產(chǎn)效率高，成本低的優(yōu)質(zhì)擠壓制品。

    圖1所示為擠壓工藝極限圖。該圖說明了擠壓溫度和擠壓速度的關(guān)系。它表達(dá)了最佳的擠壓工藝窗口，在擠壓機(jī)的擠壓能力之內(nèi)來避免制品的表面缺陷，滿足制品的力學(xué)性能和達(dá)到最高的生產(chǎn)效率。該窗口由三根極限曲線所圍成。第一根是擠壓機(jī)的擠壓能力極限曲線，也稱壓力極限線；第二根是對制品力學(xué)性能、組織與性能要求的極限線；第三根是最高擠壓溫度極限線，在制品表面開始出現(xiàn)熔化前材料允許的最高擠壓溫度和對應(yīng)的擠壓速度。擠壓工藝極限圖是要靠試驗(yàn)和理論計(jì)算，并經(jīng)過生產(chǎn)中的不斷修正才能建立的數(shù)據(jù)庫。

    通過典型的擠壓成形極限圖可看見等溫?cái)D壓的影響：擠壓一個(gè)給定產(chǎn)品的能力在左邊受到所需壓力的限制，在右邊受到合金表面質(zhì)量曲線的限制。整個(gè)錠坯必須以同一溫度擠壓（即圖2中箭頭所示位置）才能達(dá)到最大的擠壓速度，由此可見等溫?cái)D壓對擠壓速度的影響。

2快速擠壓的基本概念

    1)擠壓速度

    擠壓速度是決定擠壓制品質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及擠壓力和生產(chǎn)成本的一個(gè)十分重要的工藝參數(shù)，在鋁及鋁合金擠壓生產(chǎn)過程中，擠壓速度一般是指擠壓制品從�？字辛鞒龅乃俣萓，而不是擠壓軸移動(dòng)的速度V，二者之間存在如下關(guān)系式：

    式中：

    U一擠壓制品流出�？姿俣龋琺/min；

    V一擠壓軸移動(dòng)速度，mm/s；

    A-擠壓系數(shù)。

    可見，V和λ越大，則U就越大。一般來說，鋁及鋁合金擠壓機(jī)（擠壓軸）的移動(dòng)速度設(shè)定為0 - 21mm/s，最大也不會(huì)超過25 mm/s。鋁及鋁合金的λ因鋁合金成分不同而不同．如2024硬鋁合金、7075超硬鋁合金的最佳A范圍為12 - 45，而軟鋁合金（如1100、3003、6063等鋁合金）的A最大可達(dá)200以上，可實(shí)現(xiàn)快速擠壓。

 2)快速擠壓

以全自動(dòng)生產(chǎn)制度運(yùn)行的現(xiàn)代化擠壓機(jī)，其每個(gè)完整的擠壓周期共包含長度變化的擠壓時(shí)間和長度固定的非擠壓時(shí)間。

    擠壓時(shí)間是指擠壓工藝過程從充填結(jié)束，開始突破的瞬間至擠壓到規(guī)定的壓余為止，準(zhǔn)備開始卸壓這段時(shí)間，可按如下公式簡單進(jìn)行計(jì)算：

 式中：

T一擠壓時(shí)間，s；

To一為工藝選定的突破時(shí)間，或者突破行程與突破速度之商，s；

    v-一擠壓工藝（對其合金某產(chǎn)品）所選用的擠壓速度（擠壓軸移動(dòng)速度），mm/s。

    從(2)式可以看出，擠壓時(shí)間長短取決于被擠壓錠坯的長度、生產(chǎn)工藝所選用的擠壓速度、生產(chǎn)工藝所選用的突破時(shí)間（突破行程/突破速度）。當(dāng)錠坯長度和突破時(shí)間一定時(shí)，則擠壓速度越快，所需擠壓時(shí)間就越短，金屬流出�？椎乃俣染驮娇�，擠壓的生產(chǎn)效率就越高，這就是我們所尋求的快速擠壓。

    非擠壓時(shí)間對一臺(tái)擠壓機(jī)來說基本上是固定不變的，在此不討論。

    盡量縮短擠壓時(shí)間的快速擠壓工藝是提高鋁及鋁合金擠壓牛產(chǎn)效率的重要途徑之一。目前鋁合金的快速擠壓方法主要有冷擠壓、沖擊擠壓、無殘料連續(xù)擠壓、高速靜液擠壓和軟鋁合金快速熱擠壓等。前4種方法的擠壓速度可達(dá)到很高水平（高速擠壓），但均屬于冷擠壓范疇，而且僅適用于某些合金和品種，應(yīng)用十分有限。因此下面僅論述應(yīng)用十分廣泛且有顯著經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值的軟鋁合金的快速熱擠壓及其關(guān)鍵技術(shù)。

3軟鋁合金正向快速熱擠壓技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)越性

 1)影響鋁及鋁合金擠壓速度的主要因素

 ①材料的金屬成分與性質(zhì)。純鋁及軟合金的塑性高，可擠壓性好，其擠壓速度高，如1050、3003、6063等軟鋁合金最高擠壓速度可達(dá)300 m/min，而表面不開裂紋。而合金成分高的硬鋁合金和超硬鋁合金，如5056、2024、7075等合金，其擠壓速度一般只能控制在0.1 -3 m/min的范圍，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的表面裂紋。

    ②溫度。包括擠壓溫度，擠壓筒溫度，模具溫度以及擠壓過程中的溫升都會(huì)影響擠壓速度。一般來說，擠壓溫度越高，則擠壓速度就應(yīng)控制越低。根據(jù)擠壓工藝極限圖，每種鋁合金都有一個(gè)根據(jù)表面質(zhì)量、力學(xué)性能、擠壓力太小而確定的極限擠壓溫度線和極限擠壓速度線，并由此二線包含一個(gè)最佳擠壓范圍，可見，擠壓溫度較低時(shí)允許的擠壓速度就較快。等溫?cái)D壓可提高擠壓速度。

    ③錠坯的質(zhì)量。經(jīng)過均勻化處理、組織均勻細(xì)密、表面光潔的優(yōu)質(zhì)錠坯可提高擠壓速度。

    ④工模具的質(zhì)量與溫度控制。選擇優(yōu)良的工模具材料，經(jīng)熱處理和表面處理獲得合理的硬度和高的表面硬度，經(jīng)先進(jìn)的機(jī)加工、電加工、熱加工獲得精密的高表面質(zhì)量的工模具。合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等均可均勻金屬流速，減少金屬流動(dòng)過程的摩擦阻力，提高擠壓速度。此外，合理的擠壓筒，模具的加熱溫度，特別是控制�？跍囟�，實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓可大幅度提高擠壓速度。

    ⑤配置好機(jī)前機(jī)后設(shè)備，創(chuàng)造好等溫?cái)D壓的條件，也可提高擠壓速度和生產(chǎn)效率。

    總之，凡是能提高鋁及鋁合金可擠壓性的因素都可以提高擠壓速度，反之亦然。

    2)軟鋁合金正向快速熱擠壓的特點(diǎn)與優(yōu)越性

    如上所述，影響軟鋁合金擠壓速度的因素是很多的，要提高擠壓速度，實(shí)現(xiàn)軟鋁合金的快速擠壓，就必須合理分析并利用這些影響因素的特點(diǎn)及其相互之間的作用，以達(dá)到最佳效果，并顯示出軟鋁合金快速擠壓的優(yōu)越性。

    軟鋁合金快速熱擠壓的特點(diǎn)是：

    ①具有優(yōu)良可擠壓性的軟鋁合金及組織均勻細(xì)密純潔的優(yōu)質(zhì)錠坯。

    ②在等溫或近似等溫的條件下，能以大于50 m/min - 80 m/min的高擠壓速度持續(xù)大批量地進(jìn)行正向熱擠壓過程。

    ③快速擠壓出的制品表面光潔、平直、無裂紋、無毛刺而且尺寸均勻，符合技術(shù)條件要求。

    軟鋁合金正向快速熱擠壓的優(yōu)越性是：

    ①在普通的現(xiàn)代化的單動(dòng)正向油壓擠壓機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)軟鋁合金的快速擠壓，對生產(chǎn)線不要求進(jìn)行大的改造。

    ②生產(chǎn)效率可大幅度提高。目前我國絕大多數(shù)擠壓機(jī)生產(chǎn)線的擠壓速度為15 m/min - 30 m/min，如提速到50 m/min - 80 m/min，其生產(chǎn)效率即可提高3 -5倍。單位時(shí)間和單位產(chǎn)量的能耗也可大幅度降低，通俗地說，一臺(tái)擠壓機(jī)可當(dāng)幾臺(tái)擠壓機(jī)用。

    ③由于在等溫條件下擠壓，制品的組織、性能和尺寸都比較均勻，產(chǎn)品質(zhì)量好，成品率高，成本可降低。

    ④由于采用水冷卻或液氮冷卻模具擠壓，使模具溫度始終保持在3500C -400T之間。不僅可提高模具使用壽命，而且可減少換模時(shí)間和費(fèi)用，降低產(chǎn)品的單位成本。

    ⑤目前，我國正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的高潮，以6063鋁合金為代表的建筑鋁型材占了整個(gè)鋁擠壓材用量的60%以上。6063鋁合金的可擠壓性很好，其允許的擠壓速度最高可達(dá)100 m/min以上。大力研發(fā)與推廣6063鋁合金的快速擠壓速度技術(shù)，將對我國綠色建筑的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

4  實(shí)現(xiàn)軟鋁合金正向快速熱擠壓的基

 本條件和關(guān)鍵技術(shù)

 實(shí)現(xiàn)快速擠壓是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程，涉及面很廣，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，進(jìn)行廣泛的研發(fā)，創(chuàng)造以下基本條件并解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

    1)優(yōu)質(zhì)的擠壓坯料

    合金的最高擠壓速度可以通過改善坯料的組織性能、調(diào)整坯料的成分而提高。通過優(yōu)化合金成分，選擇最佳的主要元素配比和雜質(zhì)元素控制，制訂合理的熔鑄工藝，采用先進(jìn)的精煉、在線凈化處理和細(xì)化處理技術(shù)，獲得良好的脫氣、除渣和細(xì)化效果，進(jìn)行高溫快冷均勻化處理等，有利于提高鋁合金的擠壓速度。例如，采用熱頂鑄造法改善錠坯組織和性能均勻性有利于改善合金的可擠壓性，提高擠壓速度。研究結(jié)果表明，對于6063鋁合金，細(xì)化晶粒、減少鑄造樹枝狀晶，有利于提高合金的最高擠壓速度，減少產(chǎn)品表面產(chǎn)生裂紋的可能性。這主要是晶粒的細(xì)化使得晶界析出物均勻化的緣故。

    降低6063鋁合金中鎂的含量，可以提高合金的最高擠壓速度。將6063鋁合金的鎂含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）減少到0. 40%左右（即6060鋁合金的鎂含量）時(shí)，有利于實(shí)現(xiàn)高速擠壓。但鎂的含量降低后，其熱處理（T5處理：擠壓后直接淬火+人工時(shí)效）強(qiáng)化效果有所降低。因此，可以根據(jù)產(chǎn)品用途來調(diào)整合金的成分，以達(dá)到提高擠壓速度，從而提高生產(chǎn)效率的目的。降低鎂含量的效果主要有兩個(gè)方面：一是W( Mg)<0.600-/0時(shí)，合金的變形抗力隨鎂含量的降低而迅速下降，變形能耗降低，擠壓時(shí)�？赘浇�的溫升減少；二是隨著鎂含量的降低，合金的固相線溫度上升，擠壓時(shí)不容易產(chǎn)生過熱。

    2)優(yōu)質(zhì)和高壽命的模具

    獲得優(yōu)質(zhì)、高壽命模具的措施主要有：選擇優(yōu)質(zhì)模具材料；優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的強(qiáng)度校核；采用先進(jìn)合理的機(jī)加工、電加工、熱處理工藝，保證模具具有好的尺寸精度，高的表面硬度和適中的基體硬度，低的表面粗糙度；制訂合理的使用、維修與管理制度。進(jìn)行模具使用全過程的計(jì)算機(jī)信息管理，以積累經(jīng)驗(yàn)，提高模具設(shè)計(jì)、加工與維修水平。

    3)優(yōu)化擠壓和在線熱處理工藝

    嚴(yán)格控制錠坯、擠壓筒和模具加熱溫度，而要實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的快速擠壓，應(yīng)采用水（液氮）冷卻模具技術(shù)（見下述），以降低模具和金屬變形區(qū)的溫度；確保擠壓溫度一速度．?dāng)D壓力之間的最佳配合，創(chuàng)造等溫?cái)D壓條件，嚴(yán)格控制鋁材在線水（霧）氣冷淬火工藝，確保鋁材淬火效果和形狀精度。

    4)改進(jìn)擠壓機(jī)后設(shè)備，保證生產(chǎn)線高速運(yùn)行

    為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，要對擠壓機(jī)后部設(shè)備，如精密淬火裝置、牽引機(jī)、輸料輥道、冷卻設(shè)施和冷床、拉矯機(jī)、人工時(shí)效爐等進(jìn)行配套改造，使之能與產(chǎn)品出口速度同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。

    5)采用先進(jìn)可靠的水冷卻或液氮冷卻模具裝置，實(shí)現(xiàn)冷卻模擠壓

    在正向熱擠壓鋁合金時(shí)，溫度、速度、擠壓力是一組相互影響的工藝參數(shù)，溫度和速度尤其是兩個(gè)互相制約的參數(shù)。擠壓速度加快，則金屬的變形熱增高，進(jìn)而升高了金屬的溫度。當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，金屬會(huì)產(chǎn)生過熱或過燒，出現(xiàn)表面裂紋，此時(shí)應(yīng)大幅度減速或大幅度降低模具和變形區(qū)溫度才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前，為了維持快速擠壓，最簡便的辦法是采用冷卻模擠壓技術(shù)，降低金屬變形區(qū)溫度，確保擠壓�？诘臏囟仁冀K保持在350。C -4000C之間。冷卻模擠壓包括水冷模擠壓和液氮冷卻模擠壓兩種方法。

    采用冷卻模擠壓法具有下述優(yōu)點(diǎn)：

    ①提高擠壓速度；

    ②抑制鋁材再結(jié)晶或再結(jié)晶長大的進(jìn)行，防止產(chǎn)品表面產(chǎn)生粗晶環(huán)（對于型材來說，稱其為表面粗晶層更合適）；

    ③改善產(chǎn)品表面質(zhì)量、提高光亮度。

5  結(jié)束語

軟鋁合金快速熱擠壓是充分發(fā)掘軟鋁合金的潛力，大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)值得大力推廣應(yīng)用的先進(jìn)擠壓工藝，但實(shí)現(xiàn)快速擠壓是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)從優(yōu)化合金成分、制備優(yōu)質(zhì)擠壓錠坯、優(yōu)質(zhì)擠壓模具、優(yōu)化擠壓工藝和熱處理工藝、冷卻模具、創(chuàng)造等溫?cái)D壓條件、配套先進(jìn)合理的工藝裝備等方面著手，解決一系列技術(shù)難題才能取得應(yīng)有效果。

6摘要：簡述軟鋁合金快速熱擠壓的可能性及極限范圍，重點(diǎn)討論快速擠壓的特點(diǎn)、優(yōu)越性及實(shí)現(xiàn)快速熱擠壓的基本條件與關(guān)鍵技術(shù)。