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6063鋁合金快速擠壓工藝的應用
2016-06-12查看:
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1 前言
6063鋁合金是應用最廣、用量最多的一種變形鋁合金，被廣泛應用于擠壓建筑型材和工業(yè)型材。目前我國鋁合金熱變形擠壓工藝已逐漸趨近成熟，但與國外發(fā)達國家相比依然存在很大差距。
隨著材料加工向高速、節(jié)能、連續(xù)化方向發(fā)展，近年來很多鋁材擠壓生產(chǎn)廠家都希望采用低溫快速擠壓新技術(shù)。通常6063鋁合金的擠壓速度實心型材在15m/min-50m/min之間，空心型材在10m/min-35m/min之間，快速擠壓是指擠壓制品從模孔流出的速度在60m/min以上。
擠壓速度過快制品表面會出現(xiàn)麻點、裂紋等的傾向，增加了金屬變形的不均勻性，如何才能實現(xiàn)快速擠壓的同時又保證制品質(zhì)量呢？
2 實現(xiàn)快速擠壓的條件
2.1 快速擠壓模具的設計
和普通鋁型材擠壓模具相比，快速擠壓要求模具分流孔大，即保證供料量充足；上模薄，即送料行程減短；模具工作帶短，即鋁與模具的阻力減小；隨擠壓過程的完成，變形區(qū)溫度升高，而擠壓速度越快，變形區(qū)溫度升高得也越快，所以模具應該帶有模具冷卻系統(tǒng)，以保證擠壓模具溫度穩(wěn)定，低溫高速，實現(xiàn)快速擠壓的同時也保證了模具的壽命和型材質(zhì)量。另外，快速擠壓模具材料性能要好。
2.2 6063鋁合金鋁棒的要求
對于快速擠壓，鋁棒的要求要高于普通擠壓，鋁棒必須全部均質(zhì)，鋁棒中不允許有油污、夾雜。合金的均質(zhì)處理能提高擠壓速度，同未均勻化處理的鑄錠相比，大約可使擠壓力降低6%-15%。對均熱后快冷的鑄錠，Mg2Si幾乎能全部固溶于基體，過剩的Si也將固溶或以彌散析出的細小質(zhì)點存在。
這樣的鑄錠可以在較低溫度下快速擠壓，并獲得優(yōu)良的力學性能和表面光亮度。鎂一般控制在0.5%左右，Mg2Si總量控制在0.82%左右。當硅過剩0.01%時合金的力學性能σb約為218Mpa，已大大超過國家標準性能，并過剩硅從0.01%提高到0.13%，σb可提高到250Mpa，即提高14.6%。
要形成一定量的Mg2Si，必須首先考慮到Fe與Mn等雜質(zhì)含量造成的硅損失，即要保證有一定量的過剩硅。為了使6063合金中的鎂充分與硅匹配，實際配料時，必須有意識地使Mg：Si＜1.73。鎂的過剩不僅削弱強化效果，而且又增加了產(chǎn)品成本。
2.3 擠壓設備的要求
擠壓機必須具備等速擠壓和等壓擠壓的控制系統(tǒng)。近代技術(shù)的進步，擠壓速度可以實現(xiàn)程序控制或模擬程序控制，同時也發(fā)展了等溫擠壓工藝和CADEX等新技術(shù)。
通過自動調(diào)節(jié)擠壓速度來使變形區(qū)的溫度保持在某一恒定范圍內(nèi)，可達到快速擠壓而不產(chǎn)生裂紋的目的，而隨擠壓的進行，沒有等溫擠壓的控制系統(tǒng)，高速擠壓會使擠壓實際溫度大幅度增長，也就是說，沒有等速擠壓和等溫擠壓的控制系統(tǒng)，制品的出料速度不一致，擠壓制品表面會出現(xiàn)波紋甚至裂紋的擠壓缺陷，從而無法實現(xiàn)快速擠壓。
2.4 出料方式的要求
制品從模具出料口流出后，為保證其能沿擠壓中心線的縱向平衡而快速地前進，必須有牽引機牽引，最好是雙牽引。沒有牽引機牽引，快速流出的制品制品表面可能出現(xiàn)類似于水波紋的缺陷，或者會使制品局部彎折，甚至出料受阻。
3 快速擠壓工藝
快速擠壓的擠壓速度一般可提高至一般擠壓擠壓速度的2-4倍，我公司通過一年多的努力，現(xiàn)在有少數(shù)模具擠壓速度已達到60m/min以上，實現(xiàn)快速擠壓。與一般擠壓相比，快速擠壓的工藝要求更加嚴格。
3.1 鋁棒、模具、擠壓筒的加溫
為了提高生產(chǎn)效率，在工藝上可以采取很多措施。采用感應加熱，沿鑄錠長度方向上存在著溫度梯度40-60℃（梯度加熱），擠壓時高溫端朝擠壓模，低溫端朝擠壓墊，以平衡一部分變形熱。
對擠壓生產(chǎn)來說，擠壓溫度是最基本的且最關(guān)鍵的工藝因素。擠壓溫度對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具壽命、能量消耗等都產(chǎn)生很大影響。擠壓最重要的問題是金屬溫度的控制，從鋁棒開始加熱到擠壓型材的淬火都要保證可溶解的相組織不從固溶中析出或呈現(xiàn)小顆粒的彌散析出。
6063合金鋁棒加熱溫度一般都設定在Mg2Si析出的溫度范圍內(nèi)，加熱的時間對Mg2Si的析出有重要的影響，采用快速加熱可以大大減少可能析出的時間。鋁棒加熱溫度一般平模設置為430-460℃，分流模設置為440-470℃，實現(xiàn)低溫快速擠壓。
模具加熱爐定溫：平模定溫450-480℃；分流模460-495℃；平模和分流模混合加熱定溫460-495℃。
擠壓筒的加熱溫度比鋁棒溫度低50℃左右，加熱時逐步升到指定溫度，使各部分溫度均勻，擠壓筒加熱器內(nèi)側(cè)溫度控制在380-420℃。外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)溫度高，溫差控制在50℃以內(nèi)。
3.2 快速擠壓過程工藝控制
低溫快速擠壓時指擠壓溫度低于450℃，而出料速度高于60m/min，即在保證型材出料口溫度達到直接風冷淬火溫度的條件下，盡量降低鋁棒加熱溫度，通過提高擠壓速度，使制品溫度升高來補償，以達到低溫快速擠壓的目的，這樣既提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)約了能源。
同普通擠壓方法相比，低溫快速擠壓法具有其突出的有點：由于擠壓時溫度低，坯料加熱時間相應縮短，同時變形速度快，坯料變形時間短，既節(jié)約能耗，又大大提高了生產(chǎn)效率。
棒長控制：采用長棒熱剪，根據(jù)生產(chǎn)訂單要求盡量加長鋁棒的熱剪長度，可在一定程度上提高擠壓效率、提高成品率和節(jié)約成本。快速擠壓用鋁棒不允許有接棒，因為在鋁棒接口處雜質(zhì)元素和夾雜物等分布集中，制品表面質(zhì)量會有缺陷；而且應力也分布集中，對快速擠壓金屬流動制品成型不利。
主系統(tǒng)壓力的控制：系統(tǒng)壓力過大會導致制品與模具之間的摩擦力增大，影響制品表面質(zhì)量，嚴重時甚至損壞模具工作帶。主系統(tǒng)壓力一般要求≤21MPa。
出料方式的控制：采用雙牽引機將擠壓制品從出料口拉出，以保證制品出料能沿擠壓中心線的縱向平衡而快速地前進，利用牽引力與擠壓速度同步保證牽引機速度與擠壓速度一致，型材出模孔后，一般皆用牽引機牽引。牽引機工作時在給擠壓制品以一定的牽引張力，同時與制品流出速度同步移動。
使用牽引機的目的在于減輕多線擠壓時長短不齊和抹傷，同時也可防止型材出模孔后扭擰、彎曲，給張力矯直帶來麻煩。張力矯直除了可以使制品消除縱向形狀不整外，還可以減少其殘余應力，提高強度特性并能保持其良好的表面。
溫度控制：6063鋁型材機上淬火是為了將在高溫下固溶于基體金屬中的Mg2Si出模孔后經(jīng)快速冷卻到室溫而被保留下來，冷卻速度常和強化相含量成正比。6063合金可強化的最小的冷卻速度為38℃/分。
根據(jù)現(xiàn)場檢測，當擠速超過60m/min時，鋁棒經(jīng)擠壓后在出料口溫度可提高70℃以上。在擠壓過程中，模具溫度都升高，當模具超溫時，模具退火，擠壓模具容易變形，甚至影響模具的使用壽命，制品出料也不穩(wěn)定。快速擠壓過程中，模具升溫必然比一般擠壓模具升溫速度要快，所以模具應該帶有模具冷卻系統(tǒng)，以保證擠壓模具溫度穩(wěn)定。
近年來在國外用氮氣或液氮冷卻模具（擠壓模）以增加擠壓速度，提高模具壽命和改善型材表面質(zhì)量。在擠壓過程中將氮氣引到擠壓模出口處放出，可以使被冷卻的制品急速收縮，冷卻擠壓模和變形區(qū)金屬，使變形熱被帶走，同時模子出口處被氮的氣氛所控制，減少了鋁的氧化及氧化鋁的粘接和堆積，所以氮氣的冷卻提高了制品的表面質(zhì)量，可大大的提高擠壓速度。
CADEX是最近發(fā)展的一種擠壓新工藝，它擠壓過程中的擠壓溫度、擠壓速度和擠壓力形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以最大限度地提高擠壓速度和生產(chǎn)效率，同時保證最優(yōu)良的性能。也可采用水冷模擠壓，即在模子后端通水強制冷卻，試驗證明可以提高擠壓速度30%-50%。
擠壓速度控制：擠壓速度對變形熱效應、變形均勻性、再結(jié)晶和固溶過程、制品力學性能及制品表面質(zhì)量均有重要影響。模具剛上機時，擠壓速度設置不宜太快，等制品出料順暢之后再慢慢加大擠壓速度，最終達到快速擠壓。
4、結(jié)束語
6063鋁合金是應用最廣、用量最多的一種變形鋁合金，被廣泛應用于擠壓建筑型材和工業(yè)型材。目前我國鋁合金熱變形擠壓工藝已逐漸趨近成熟，但與國外發(fā)達國家相比依然存在很大差距。
隨著材料加工向高速、節(jié)能、連續(xù)化方向發(fā)展，近年來很多鋁材擠壓生產(chǎn)廠家都希望采用低溫快速擠壓新技術(shù)。通常6063鋁合金的擠壓速度實心型材在15m/min-50m/min之間，空心型材在10m/min-35m/min之間，快速擠壓是指擠壓制品從模孔流出的速度在60m/min以上。
擠壓速度過快制品表面會出現(xiàn)麻點、裂紋等的傾向，增加了金屬變形的不均勻性，如何才能實現(xiàn)快速擠壓的同時又保證制品質(zhì)量呢？
2 實現(xiàn)快速擠壓的條件
2.1 快速擠壓模具的設計
和普通鋁型材擠壓模具相比，快速擠壓要求模具分流孔大，即保證供料量充足；上模薄，即送料行程減短；模具工作帶短，即鋁與模具的阻力減小；隨擠壓過程的完成，變形區(qū)溫度升高，而擠壓速度越快，變形區(qū)溫度升高得也越快，所以模具應該帶有模具冷卻系統(tǒng)，以保證擠壓模具溫度穩(wěn)定，低溫高速，實現(xiàn)快速擠壓的同時也保證了模具的壽命和型材質(zhì)量。另外，快速擠壓模具材料性能要好。
2.2 6063鋁合金鋁棒的要求
對于快速擠壓，鋁棒的要求要高于普通擠壓，鋁棒必須全部均質(zhì)，鋁棒中不允許有油污、夾雜。合金的均質(zhì)處理能提高擠壓速度，同未均勻化處理的鑄錠相比，大約可使擠壓力降低6%-15%。對均熱后快冷的鑄錠，Mg2Si幾乎能全部固溶于基體，過剩的Si也將固溶或以彌散析出的細小質(zhì)點存在。
這樣的鑄錠可以在較低溫度下快速擠壓，并獲得優(yōu)良的力學性能和表面光亮度。鎂一般控制在0.5%左右，Mg2Si總量控制在0.82%左右。當硅過剩0.01%時合金的力學性能σb約為218Mpa，已大大超過國家標準性能，并過剩硅從0.01%提高到0.13%，σb可提高到250Mpa，即提高14.6%。
要形成一定量的Mg2Si，必須首先考慮到Fe與Mn等雜質(zhì)含量造成的硅損失，即要保證有一定量的過剩硅。為了使6063合金中的鎂充分與硅匹配，實際配料時，必須有意識地使Mg：Si＜1.73。鎂的過剩不僅削弱強化效果，而且又增加了產(chǎn)品成本。
2.3 擠壓設備的要求
擠壓機必須具備等速擠壓和等壓擠壓的控制系統(tǒng)。近代技術(shù)的進步，擠壓速度可以實現(xiàn)程序控制或模擬程序控制，同時也發(fā)展了等溫擠壓工藝和CADEX等新技術(shù)。
通過自動調(diào)節(jié)擠壓速度來使變形區(qū)的溫度保持在某一恒定范圍內(nèi)，可達到快速擠壓而不產(chǎn)生裂紋的目的，而隨擠壓的進行，沒有等溫擠壓的控制系統(tǒng)，高速擠壓會使擠壓實際溫度大幅度增長，也就是說，沒有等速擠壓和等溫擠壓的控制系統(tǒng)，制品的出料速度不一致，擠壓制品表面會出現(xiàn)波紋甚至裂紋的擠壓缺陷，從而無法實現(xiàn)快速擠壓。
2.4 出料方式的要求
制品從模具出料口流出后，為保證其能沿擠壓中心線的縱向平衡而快速地前進，必須有牽引機牽引，最好是雙牽引。沒有牽引機牽引，快速流出的制品制品表面可能出現(xiàn)類似于水波紋的缺陷，或者會使制品局部彎折，甚至出料受阻。
3 快速擠壓工藝
快速擠壓的擠壓速度一般可提高至一般擠壓擠壓速度的2-4倍，我公司通過一年多的努力，現(xiàn)在有少數(shù)模具擠壓速度已達到60m/min以上，實現(xiàn)快速擠壓。與一般擠壓相比，快速擠壓的工藝要求更加嚴格。
3.1 鋁棒、模具、擠壓筒的加溫
為了提高生產(chǎn)效率，在工藝上可以采取很多措施。采用感應加熱，沿鑄錠長度方向上存在著溫度梯度40-60℃（梯度加熱），擠壓時高溫端朝擠壓模，低溫端朝擠壓墊，以平衡一部分變形熱。
對擠壓生產(chǎn)來說，擠壓溫度是最基本的且最關(guān)鍵的工藝因素。擠壓溫度對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具壽命、能量消耗等都產(chǎn)生很大影響。擠壓最重要的問題是金屬溫度的控制，從鋁棒開始加熱到擠壓型材的淬火都要保證可溶解的相組織不從固溶中析出或呈現(xiàn)小顆粒的彌散析出。
6063合金鋁棒加熱溫度一般都設定在Mg2Si析出的溫度范圍內(nèi)，加熱的時間對Mg2Si的析出有重要的影響，采用快速加熱可以大大減少可能析出的時間。鋁棒加熱溫度一般平模設置為430-460℃，分流模設置為440-470℃，實現(xiàn)低溫快速擠壓。
模具加熱爐定溫：平模定溫450-480℃；分流模460-495℃；平模和分流模混合加熱定溫460-495℃。
擠壓筒的加熱溫度比鋁棒溫度低50℃左右，加熱時逐步升到指定溫度，使各部分溫度均勻，擠壓筒加熱器內(nèi)側(cè)溫度控制在380-420℃。外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)溫度高，溫差控制在50℃以內(nèi)。
3.2 快速擠壓過程工藝控制
低溫快速擠壓時指擠壓溫度低于450℃，而出料速度高于60m/min，即在保證型材出料口溫度達到直接風冷淬火溫度的條件下，盡量降低鋁棒加熱溫度，通過提高擠壓速度，使制品溫度升高來補償，以達到低溫快速擠壓的目的，這樣既提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)約了能源。
同普通擠壓方法相比，低溫快速擠壓法具有其突出的有點：由于擠壓時溫度低，坯料加熱時間相應縮短，同時變形速度快，坯料變形時間短，既節(jié)約能耗，又大大提高了生產(chǎn)效率。
棒長控制：采用長棒熱剪，根據(jù)生產(chǎn)訂單要求盡量加長鋁棒的熱剪長度，可在一定程度上提高擠壓效率、提高成品率和節(jié)約成本。快速擠壓用鋁棒不允許有接棒，因為在鋁棒接口處雜質(zhì)元素和夾雜物等分布集中，制品表面質(zhì)量會有缺陷；而且應力也分布集中，對快速擠壓金屬流動制品成型不利。
主系統(tǒng)壓力的控制：系統(tǒng)壓力過大會導致制品與模具之間的摩擦力增大，影響制品表面質(zhì)量，嚴重時甚至損壞模具工作帶。主系統(tǒng)壓力一般要求≤21MPa。
出料方式的控制：采用雙牽引機將擠壓制品從出料口拉出，以保證制品出料能沿擠壓中心線的縱向平衡而快速地前進，利用牽引力與擠壓速度同步保證牽引機速度與擠壓速度一致，型材出模孔后，一般皆用牽引機牽引。牽引機工作時在給擠壓制品以一定的牽引張力，同時與制品流出速度同步移動。
使用牽引機的目的在于減輕多線擠壓時長短不齊和抹傷，同時也可防止型材出模孔后扭擰、彎曲，給張力矯直帶來麻煩。張力矯直除了可以使制品消除縱向形狀不整外，還可以減少其殘余應力，提高強度特性并能保持其良好的表面。
溫度控制：6063鋁型材機上淬火是為了將在高溫下固溶于基體金屬中的Mg2Si出模孔后經(jīng)快速冷卻到室溫而被保留下來，冷卻速度常和強化相含量成正比。6063合金可強化的最小的冷卻速度為38℃/分。
根據(jù)現(xiàn)場檢測，當擠速超過60m/min時，鋁棒經(jīng)擠壓后在出料口溫度可提高70℃以上。在擠壓過程中，模具溫度都升高，當模具超溫時，模具退火，擠壓模具容易變形，甚至影響模具的使用壽命，制品出料也不穩(wěn)定。快速擠壓過程中，模具升溫必然比一般擠壓模具升溫速度要快，所以模具應該帶有模具冷卻系統(tǒng)，以保證擠壓模具溫度穩(wěn)定。
近年來在國外用氮氣或液氮冷卻模具（擠壓模）以增加擠壓速度，提高模具壽命和改善型材表面質(zhì)量。在擠壓過程中將氮氣引到擠壓模出口處放出，可以使被冷卻的制品急速收縮，冷卻擠壓模和變形區(qū)金屬，使變形熱被帶走，同時模子出口處被氮的氣氛所控制，減少了鋁的氧化及氧化鋁的粘接和堆積，所以氮氣的冷卻提高了制品的表面質(zhì)量，可大大的提高擠壓速度。
CADEX是最近發(fā)展的一種擠壓新工藝，它擠壓過程中的擠壓溫度、擠壓速度和擠壓力形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以最大限度地提高擠壓速度和生產(chǎn)效率，同時保證最優(yōu)良的性能。也可采用水冷模擠壓，即在模子后端通水強制冷卻，試驗證明可以提高擠壓速度30%-50%。
擠壓速度控制：擠壓速度對變形熱效應、變形均勻性、再結(jié)晶和固溶過程、制品力學性能及制品表面質(zhì)量均有重要影響。模具剛上機時，擠壓速度設置不宜太快，等制品出料順暢之后再慢慢加大擠壓速度，最終達到快速擠壓。
4、結(jié)束語
鋁合金快速擠壓是今后擠壓的大趨勢，只有實現(xiàn)快速擠壓，提高產(chǎn)能、提高生產(chǎn)效率、降低能耗和節(jié)約成本，才能在行業(yè)中立于不敗之地。本文只介紹了實現(xiàn)快速擠壓的考慮方向與思路，具體的工藝范圍在經(jīng)閣公司是行之有效的，不同的設備、不同的操作人員、不同的地域等可能工藝范圍會稍有改變，需要在不斷的生產(chǎn)嘗試中去改進工藝，最終實現(xiàn)快速擠壓。
來源： Lw2013第五屆鋁型材技術(shù)（國際）論壇
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