Extrusion technology
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铝型材生产挤压速度的控制与确定
生产实践表明,挤压速度对不同合金铝型材的影响是不一样的;对2×××、7×××系列铝型材和含镁量较高的5×××系列铝型材的影响表现最为直观、明显;挤压过程中略加提速,就可能产生裂纹;略为减速,裂纹就可能立即消失;但有例外,对含铅、铋的2011等合金型材,如采用硬合金的正常挤压速度,则铝型材表面处理过程中可能产生疤痕状缺陷,完全破坏了表面的平滑性与光洁度;提速挤压,表面则即刻改观,不仅不产生裂纹,反而平整光滑,具有极好的光洁度;对3A21、3003、6063等软合金,则只要在挤压温度范围之内,无论快速挤压还是慢速挤压,只会对表面光洁度产生轻微影响,不会出现裂纹等恶性缺陷;造成这些现象的原因是合金本质和挤压温升综合作用的结果;
我们在之前内容中讨论了正、反挤压的变形热,了解了在挤压过程中所施外力促使铝型材变形时所做的功,除极小部分使金属的晶体点阵发生畸变,作为内能被金属保留下来外,其余均成为变形热和摩擦热,使得变形金属及与其相接触的工、模具产生温升;挤压时做功越大,产生的热量越高,温升越高;做功的大小决定于金属的变形抗力或者说金属的硬化系数;而金属的变形抗力或硬化系数又与挤压速度密切相关;挤压速度提高,产生的变形热和摩擦热增加,引起金属温度上升;在正常情况下,做功产生的热量一小部分会通过工、模具和铝型材带走,余下部分才使金属产生温升;但当挤压速度达到某一定值时,可能会成为一绝热过程,即挤压过程产生的所有热量来不及散逸,全部由变形金属吸收,变得变形金属的温度急剧升高;随着金属温度的升高,其屈服强度与抗拉强度随之降低;我们知道,金属发生变形时,铸锭表现与铝型材表面因其与工、模具表面产生摩擦,使得表面金属流速慢,中心金属流速快,因此除了实现塑性变形所施压力产生的基本反应力-σ外,在中心产生附加应力-σ1,表面产生附加的抗拉应力+σ2;其工作应力由基本应力和附加应力叠加而成;
在铝型材中心,工作应力为:
铝型材中心总是处于压应力状态,因此如果铸锭中心本身没有缺陷,不存在裂纹源,挤压过程就不会有裂纹发生;
在铝型材表面,情况则不一样,其工作应力为:
挤压速度增快,温度升高,金属的抗拉强度σb降低;表面金属叠加后产生的工作拉应力σ=-σ^*+(+σ2)=-σ^*+σ2>σb时,就会出现裂纹;裂纹的形状取决于裂纹向深部扩展的速度υw和金属的流出速度υ1的相互关系;第一条裂纹出现后,叠加后形成的工作拉应力得到释放,应力减小,从而使裂纹向深部扩展的速度减慢;;若υw为等减速扩展,则每一瞬间裂纹加深值为△r,而铝型材以固定速度υ1移动△Z值,其结果得到裂纹如下图所示的形状;当此裂纹扩展到一定深度后,该局部的附加应力消失,裂纹停止发展;随后金属又呈周期性的出现裂纹,直到调整挤压速度为止;
金属在变形时抵抗拉应力的能力急剧下降,出现裂纹的温度称为临界温度;2A12合金的临界温度为485~495℃,7A04为470~480℃,6A02为520~530℃;
但是2011合金采用远高于2A11、2A12合金的挤压速度并不出现上述周期性裂纹,相反还极大地改善了表面质量,这是因为2011合金含有均匀、弥散分布的铅和铋;铅的熔点为327.4℃,铋的熔点为269℃,在400℃左右时,铅和铋均呈液态;挤压时,铅、铋溶体在变形交界面上起相当于润滑剂的作用,减轻了界面摩擦,降低了界面上附加的摩擦拉应力,同时减少了摩擦热,降低了温升,致使铝型材挤压表面的工作应力小于该温度下金属的抗拉强度,不会产生周期性裂纹;但是,挤压速度很慢时,分布在合金固溶体中的铅、铋液珠,在挤压过程中发生延伸,但速度慢,不能形成连续液膜,也就不能起到连续的润滑作用,润滑较好的部位表面质量平滑、光洁;没有润滑的部位,金属与交界面产生摩擦甚至粘连,破坏了金属表面的连续性,从而出现疤痕状缺陷;提高挤压速度,交界面上的铅、铋液珠被拉长拉薄,可能形成连续的润滑液膜,改善了润滑状态,从而使铝型材表面光洁,具有清亮的金属光泽;
3A21、3003、6063等软合金,变形抗力小,产生的变形热和摩擦热比较小,导热性又较好,热量散逸较多,温升低;铝型材出现裂纹的临界温度又比较高,所以尽管在生产中采用快速挤压,也不容易引发裂纹;
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