铝合金等温挤压技术研究及应用分析

黄和銮，李 辉，罗铭强，林丽荧

（广东兴发铝业有限公司，广东 佛山 528137）

常规铝合金热挤压生产中，金属温度、变形存在分布不均匀的情况，极易导致挤压成品尺寸、形状、组织、性能等存在缺陷。通过应用等温挤压技术，可减少乃至消除此类缺陷与不足，生产的成品具有表里温度均匀、变形均匀、流线合理、组织性能优异等特点，生产的材料利用率高、效率高，尤其是适用于生产成形力要求较低的薄壁、高筋等形状复杂的构件。因此，加强此技术研究具有重要意义。

1 铝合金等温挤压技术的提出

早在20世纪40年代，等温锻造构想被提出，并经20年的研究逐步成型，早期等温锻造理念主要用于生产钛合金叶片，后期逐渐运用于各种金属加工中。铝合金等温挤压技术是基于等温锻造理念发展而来，此方法要求将模具、金属坯料加热至变形温度，然后进行挤压生产，成形前、后的坯料温度维持不变，由此保证金属变形抗力与流动均匀性[1]。

从铝合金热挤压生产过程来看，金属坯料在挤压筒内存在剧烈的塑性变形情况，且与筒内表面、模具表面产生剧烈摩擦，90%～95%塑性变形功、摩擦功均会转化为热量，使得模具模孔周边金属变形区温度、模孔出口处型材温度持续增高。基于此情况，极易因温度变化导致金属型材头尾的组织性能存在差异，并且，为防止挤压后期模孔出口处型材温度过高，往往需对挤压速度进行控制，这也影响了实际生产效率。而等温挤压技术的优势在于挤压成型过程中模孔附近变形区内金属温度近乎恒定，有效解决了热挤压面临的诸多问题，具体优点可归纳如下：①变形速率低、温度稳定，防止局部过热，可有效保证变形均匀性，成品微观组织、综合性能具有较高的一致性；②金属毛坯冷却与变形速度降低，变形抗力相应下降；③减小了模具激冷、材料应变硬化的影响，变形载荷减小，对设备吨位的要求降低，整个产品成形过程更为简化；④通过建立等温条件，可使铝合金在最优热力学条件下实现变形，且可精准控制加工参数，产品质量良好，适用于复杂结构挤压件制作[2]。

2 铝合金等温快速挤压技术原理与方法

2.1 技术原理

铝合金等温挤压工艺制定参考挤压极限图，如下图1所示，左侧为挤压能力曲线、右侧为表面质量曲线。当挤压温度过低或是挤压速度较慢时，挤压过程难以实现；当挤压速度过快或是温度过高时，将导致成品表面出现裂纹、粘接等缺陷。而传统挤压区与等温挤压区相比，虽然能够保证成品质量，但是挤压效率相对较低，当参数取值为两条曲线交点时，等温挤压能够实现理论上的最大挤压速度与最佳出口温度。

图1 挤压极限图

2.2 技术方法

目前，实现铝合金等温快速挤压的技术方法主要有以下几种[3]。

2.2.1 梯温铸棒挤压技术

此方法主要是利用前、后有温差的棒料进行挤压生产，棒料前端温度高于后端，可有效抵消挤压过程中型材出口温度的升高，由此可在不降低挤压速度的同时实现等温挤压，提升了整体生产效率。从铸棒梯温的实现方法来看，主要分为两种：一是梯温加热（图2（a）），梯度加热炉主要采用线圈工频加热方法，加热快、无污染，且节约能源。为进一步提高铸棒温度过渡的均匀性，增加可控加热段数，并在各段装设热电偶进行温度检测，由此获得预设的温度梯度分布。二是梯温冷却，主要方法有棒料端淬法（图2（b））、进行式单环冷却（图2（c））、固定式多环冷却（图2（d））。无论是采用梯温加热还是梯温冷却的方法，关键在于合理设计铸棒温度梯度，这两种方法的优势为设备简单、成本低。

图2 铸棒梯温实现方法

2.2.2 挤压参数的热—力耦合仿真

基于铝合金型材出口温度与挤压速度的关系，通过摩擦与热传导等因素进行分析，对挤压速度、温度参数进行热—力耦合仿真，获得相应的温度—速度曲线，并由此控制挤压速度，进而实现近似等温挤压。基于此技术方法，铝合金型材出口温度波动小，但是相应的挤压速度也有所降低。因此，需要加强控制系统的开发，有效保证挤压速度，提高铝合金生产效率。

2.2.3 温度与挤压速度闭环控制

通过准确测量铝合金型材出口温度，并与目标温度对比，利用PLC控制系统修正速度。若是实际温度高于目标，则闭环控制系统自动降低挤压速度；反之，将自动加快挤压速度，维持出口温度达到设定目标，实现等温挤压[4]。由此为等温挤压技术的应用提供了有利条件，实现较好的生产效率及成品质量。

3 工程案例

3.1 结构件情况

本次采用7A04铝合金生产大型车用轮辋，轮辋生产尺寸如下：口部、底部直径600mm、508mm，壁厚12mm，属于薄壁复杂结构件。传统热挤压成形技术采用直径500mm铸坯，基于420℃坯料温度下进行反复热挤压，成形力最大40000kN。试制过程中，由于结构件尺寸大，散热相对较快，并且采用的是超硬铝合金，较难成形，易出现变形量过大的问题。在成品探伤时显示存在缺陷，线切割剖开后在内腔底部发现挤压裂纹。

3.2 等温挤压技术方案

为保证挤压成品质量，决定对坯料与挤压技术进行全面优化，具体如下：

（1）选用直径300mm铸坯，镦粗成直径520mm的圆饼坯料，采取反挤压冲连皮、车削底部的方法，制得内外径分别为390mm、520mm的管料坯，并进行多次反挤压、压底、口部翻边以及压型操作。

（2）轮辋穿孔等温挤压，采用如下图3所示的模具。挤压过程中，模具与坯料的接触面积减小，成型过程中挤压力得到了控制，同时改善了模具受力。等温挤压过程中，坯料、模具分别加热至450℃、420℃，保温2h～3h，使用油基石墨润滑，配置16000kN四柱油压机，工作速率5mm/s。在整个成形过程中，关键是温度控制，本次配置的是双回路反馈串级温控系统，保证模具与坯料始终维持恒温状态。

图3 轮辋穿孔等温挤压示意图

3.3 等温挤压成形效果

本次采用的穿孔等温挤压技术，轮辋成形效果良好，经检查充型饱满，外表面无裂缝，底部内腔也未发现挤压裂纹。经由微观检查显示，成品具备锻件组织特征，再结晶充分，经大变形破碎后纵向组织呈明显方向性。综合来看，轮辋挤压件尺寸、质量均满足技术要求。

4 结语

随着铝合金型材使用的日益广泛，各种复杂、大尺寸构件生产越加常见，这对铝合金挤压技术提出了更高的要求，为满足型材形状、尺寸以及组织性能等方面的要求，做好技术改进十分关键。通过等温挤压技术的应用，有效解决了传统热挤压技术在生产效率、成品质量方面的问题。在实际生产作业中，根据实际情况合理选择等温技术方法，并在条件允许的情况下引进一些先进的系统设备，以期全面提高铝合金生产效益。