正、反擠壓工業鋁型材的組織性能

由于工業鋁型材反向擠壓鑄錠和擠壓筒之間沒有相對運動，金屬流動減小了不均勻性，使得在組織上顯著地減小了粗晶環，減小了不同部位間的性能差異。

由圖可以看出，反向擠壓工業鋁型材的粗晶環較正向擠壓的淺，晶粒尺寸小。正擠壓的粗晶環濃度達26mm，粗晶晶粒達7.5級，沿長度方向分布最長可達3m以上；反擠壓的深度不大于15mm，粗晶晶粒為3級，沿長度方向分布為600mm左右。反擠壓工業鋁型材晶粒組織明顯改善，力學性能的均勻性隨之明顯提高。

表7-13  正、反擠壓2A12工業鋁型材棒材各部位的力學性能

正、反擠壓工業鋁型材組織與力學性能的這些差異，是由于擠壓過程中金屬變形情況的不同引起的。在正向擠壓過程中，金屬的變形程度是由型材的中心向外層，由頭部向尾部逐漸增加的。工業鋁型材在斷面上變形的不均勻性，繼而發生組織上的不均勻性，是由于外層金屬在擠壓筒內受到摩擦阻力的作用而產生附加剪切變形，使外層金屬遭到較大破碎的結果。這兩種流動變形，外摩擦作用非常強烈，外層金屬在擠壓過程中受到連續不斷的剪切變形，隨著擠壓過程的推進，鑄錠長度減小，斷面上的剪切變形區不斷向錠坯中心擴大，從而使鑄錠晶粒遭到破碎的程度，由工業鋁型材前端向后端逐漸增大。有些合金在后續的淬火過程中，由于前端變形小，形成再結晶核心少，晶粒較粗大；后端變形大，內能高，形成的再結晶核心多，晶粒較細小，致使前端強度性能低，伸長率高；后端強度性能高，伸長度低。但是當擠壓的棒材直徑或工業鋁型材壁厚較大時，特別是2A50、2A12、7A04等合金，后端組織發生再結晶，產生粗晶環；破碎程度越厲害，產生的粗晶環越嚴重，對力學性能的影響也越明顯。關于粗晶環的形成機制，將在后面章節中進行詳細討論。

但是工業鋁型材在反向擠壓中，情況與正向擠壓有很大的不同。如前面所述，反向擠壓的基本特點是錠坯金屬與擠壓筒壁之間無相對運動，塑性變形區集中在模孔附近，其變形區高度不大于0.3Do。由于塑性變形區之外的金屬與筒壁間無摩擦，受力條件為三向等壓應力狀態。擠壓時，塑性變形區中金屬與筒壁間的摩擦力的作用方向與金屬流出模孔的方向相同，故其死區很小，因而出現了兩個問題：（1）死區不能阻留錠坯表面層的金屬流向工業鋁型材的表面層。24.5MN反向擠壓機生產2A11?50mm棒材時，可以看到棒材表面上殘存的鑄塊車削時的螺旋刀痕。（2）塑性變形只集中在模孔附近，使工業鋁型材的變形均勻性增加，特別是沿長度方向更為明顯，使得工業鋁型材組織得到改善，粗晶環顯著減小，力學性能的差異明顯減輕。

反向擠壓工業鋁型材的組織、性能得到明顯改善是毫無疑義的，但是，工業鋁型材的尾端仍然存在一定的粗晶環組織，并在一定條件下工業鋁型材中心還出現了粗晶環組織。當然反擠壓制品的粗晶環與正擠壓的比較，深度淺，晶粒細，長度短，尾端切去600mm左右即可滿足要求；而正擠壓型材需切去1500mm，有時甚至需切去3000mm以上才能滿足需要。

反擠壓工業鋁型材產生粗晶環、粗晶芯組織的原因，是因為平模擠壓的棒材較大，擠壓系數較小，存在一定的死區。在死區的交界面處產生了剪切變形。隨著擠壓過程的進行，錠坯越來越短，能補充的金屬量越來越少。當金屬消耗至一定程度時，發生剪切變形的死區交界層逐漸補充流向模孔的外層；中心層多屬也嚴重不足，致使一部分金屬克服堵頭或擠壓墊的摩擦流入模孔中心。流入中心和流入周邊部分的金屬都受到了劇烈的剪切應力，發生了明顯的剪切變形，從而在熱處理過程中形成了粗晶環和粗晶芯組織。但是，與正向擠壓相比，死區小得多，所以其粗晶環的深度和存在的長度都比較小；又因其晶粒破碎沒有正向擠壓嚴重，故粗晶環和粗晶芯的晶粒都比較細小。

同時，生產實踐發現，工業鋁型材反擠壓產生的粗晶芯隨著合金的不同而不同。2A11、2A50合金出現粗晶芯；7A04合金出現細晶芯；2A12合金或出現粗晶芯，或出現細晶芯。粗晶芯分布于中心縮尾（反擠壓留下的壓余較少，中心金屬補充不足，形成集中縮尾），兩側向前延伸，逐漸縮小直至消失，長度一般不超過600mm，其晶粒與粗晶環的晶粒相近。

細晶芯的出現可能是7A04合金變形抗力大，發生的剪切變形相對較小，克服堵頭或擠壓墊片摩擦向中部流動的量也比較少，其晶破碎的程度不如2A50、2A11合金嚴重，在進行熱處理時，沒有發生二次再結晶，因而出現晶粒更細的細晶民間組織。

2A12合金的變形抗力介于2A50和7A04合金之間，因此其工業鋁型材中心部分晶粒破碎的程度也介于二者之間，故在淬火時，有可能發生二次再結晶成為粗晶芯，也可能不發生二次再結晶而呈細晶芯組織。