【佛山6061铝管厂家】浅析铝合金挤压制品粗晶环的构成机理与预防措施
一些铝挤压成型铝型材在挤压成型及热处理工艺后，在其附近发生一层粗壮晶体机构，一般 称之为粗晶环。粗晶环是铝合金型材铝挤压成型铝型材中的关键缺点之一，当横断面产生非常绝大多数的粗晶地区时，原材料的物理性能、疲劳极限明显减少，导致铝挤压成型铝型材的损毁。世界各国科学研究专家学者根据很多的试验对粗晶环的原理开展了有利科学研究，可是现阶段并未产生统一的观点，领域内比较认可的见解是依据粗晶环的发生時间，将其分成两大类，第一类是挤压成型全过程中发生的粗晶环，第二类是铝挤压成型铝型材在热处理工艺全过程中发生的粗晶环[1-3]。
图1 铝棒料上的粗晶环
1.粗晶环的遍布规律性
据调查，粗晶环在铝合金型材上的大约遍布规律性为：（1）铝挤压成型铝型材长短方位上的遍布是前面薄后端开发厚，呈內径有光洁度的管形，粗晶区和细晶区有显著的交界线，比较严重状况下能在全横断面发生粗晶机构；（2）用双孔模挤压成型的铝合金型材棒料，经热处理后粗晶地区匀称地遍布在附近。多孔结构模挤压成型的棒料，经热处理后粗晶地区在棒料附近的一部分呈月牙状。模孔眼少，月牙形粗晶环较长，模孔眼多，则月牙形粗晶环短；（3）挤压成型中空铝型材时，易发生在铝型材中空一部分四周的表层上。外表层更显著；壁厚很大处，粗晶环的薄厚也很大；（4）在铝挤压成型铝型材的尾部常含有一部分粗晶环进到产品的核心区。
2.粗晶环的产生原理
2.1 挤压成型全过程中金属材料裁切形变的結果
一些类似纯铝的金属材料加工硬化溫度较低的铝合金，可在挤压成型溫度下产生彻底加工硬化。因为模板样子管束与胚料和挤压成型料层中间的强烈磨擦功效导致金属材料流动性不匀称，表层金属材料流动性落后于里层金属材料（如图2所显示），在滑动摩擦力和额外地应力功效下表层金属所承担的形变水平比里层大，晶体遭受比较严重的裁切形变，晶体和晶界化学物质遭受受到破坏，晶体內部和晶体间累积较高的崎变能，进而使表层金属材料加工硬化温度低，非常容易产生加工硬化并成长，产生粗晶机构。有的专家学者强调，产品附近层的彻底加工硬化溫度比管理中心一部分的要低35℃上下[4]。因为挤压成型不匀称形变是肯定的，因此 一切一种铝挤压成型铝型材均有发生第一类粗晶环的趋向。
图2 铝挤压成型时粗晶环的生长发育平面图[5]
Ⅰ-里层金属材料流动性速率，Ⅱ-表层金属材料流动性速率
2.2 锰元素的功效結果有关锰元素在挤压成型中对粗晶环产生的功效各不相同，一部分科学研究权威专家觉得锰对挤压成型中粗晶环的抑止起积极主动功效。锰与铬等原素由于溶解铝合金型材里能提升加工硬化溫度，其产生的MnAl6、CrAl7和Mg2Si等化学物质可阻拦加工硬化晶体的成长，挤压成型时，因为模貝几何图形管束与明显的磨擦功效，使表层金属材料落后于里层。表层金属材料内产生非常大的地应力梯度方向和额外地应力情况，因而推动了含Mn的第二相颗粒在织构聚集处进行析出，使离子晶体的加工硬化溫度减少，造成一次加工硬化，但因第二相由晶内进行析出后呈弥漫简谐运动遍布在位错上，阻拦了晶体的集聚成长。因而，在挤压成型后铝合金型材产品表层展现细晶机构。在事后的热处理加温时，因为溫度高，进行析出的第二相简谐运动又重溶，使阻拦晶体成长的功效消退，在这类状况下，一次加工硬化的一些晶体逐渐占领周边晶体快速成长，产生粗晶环。材料详细介绍[6]，2A12铝合金中的Mn成分（摩尔质量）为0.2%~0.6%时，铝挤压成型铝型材在热处理后容易产生粗晶环，而当2A12铝合金中的Mn成分（摩尔质量）提升到0.8%~0.9%时，能够彻底清除粗晶环的造成。
也是有科学研究工作人员根据试验说明锰元素的添加是造成的粗晶环的关键影响因素。以6A02铝合金型材为例子(如表1），6A02铝合金型材中关键的第二相是Mg2Si和MnAl6等，Mg2Si的融入使晶格常数扩大，MnAl6的融入使晶格常数降低，而Mn在铝合金中的溶解性不大，仅有在640℃之上才可以很多融入，在500℃之上才较多地进行析出。在没有含Mn的状况下，Mg2Si弥漫相在加温到较低溫度时便会融解，这时候某些的加工硬化能量源并未都还没生长发育，而很多生长发育是在更均一的标准下开展的，因此得到的机构也较为匀称。
而在含Mn的状况下，随Mn成分的提升，提升了铝合金的加工硬化溫度，减少了铝合金的加工硬化水平，为了更好地获得彻底的单相电离子晶体，热处理前加温溫度高，时间长，弥漫相的融解和加工硬化晶体逐渐很多生长发育全是在高溫下开展的，另外，不会受到弥漫粒子包围着的某些能量源都还没生长发育，在趋于二次加工硬化的、尺寸不一样的晶体机构内，新晶体逐渐生长发育，高倍发生了粗晶环。
表1 不一样锰成分的6A02铝合金型材的高倍状况[7]
针对锰元素对铝挤压成型铝型材的粗晶环产生是起抑制效果或是推动作用中国很多科研工作者对于此事干了很多的科学研究，虽然都有矛盾，但较为集中化的见解是铝合金型材晶体机构的造成与锰元素的成分和遍布相关，在没有含或是含极为小量的衔接族原素的铝合金型材中不产生粗晶环，锰元素能提升加工硬化溫度，不含锰的情况下弥漫相在加温到较低溫度时便会融解，能合理减少第二类粗晶环的造成，但锰的添加有利于提升铝合金的抗压强度，通常因为商品的特性必须，绝大多数铝合金上都会加上一定量的锰。
当锰成分在0.2%~0.6%时，发生粗晶环的薄厚较大 ，再次提升锰成分时，粗晶环降低甚至消退，研究表明[8]，LY12铝合金中锰成分由0.4提升到0.8，粗晶环深层可由4~5mm降低到零。当金属材料中的衔接族原素成分不一会儿，因为锰自身的热扩散系数低，产生的第二相不分布均匀，如图所示3同一试件粗晶区和基材区第二相颗粒的布局图上所显示，显著由此可见两区的第二相遍布不一样，粗晶区第二相颗粒大而疏，基材的颗粒细而密。即便 是浇铸历经匀称化解决也无法促使锰在全部枝晶向上做到平衡。通常是在一部分离子晶体（孪晶外场地区）中有很多的金属材料间化学物质弥漫粒子进行析出，而在另一部分（孪晶核心区)仅有小量的或是压根沒有进行析出物。因而在热处理工艺加温时，进行析出物多的一部分第二相比较分布均匀在晶内和晶界，位错上的第二相颗粒“钉扎”位错（如图4），阻拦位错的转移，抑止晶体钝化处理。而进行析出物少的位置产生小量加工硬化关键，第二相颗粒并不是弥漫遍布在位错上，只是绝大多数集聚结团，对位错不了“钉扎”功效，进而晶体在沒有摩擦阻力的状况下快速成长，并占领周边的变形机体及其不产生加工硬化关键的很多金属材料间化学物质弥漫粒子的地区，进而造成发生粗壮的晶体机构。比如，在含0.56%Mn的铝合金中，在500℃加温时发生粗晶环，而在含1.38%Mn的铝合金中，则在达到560℃下能发生粗晶环[9]。它是因为含锰量的提升，在铝合金中维持相对应浓度值的MnAl6简谐运动的溫度较高，更改了能量源强烈成长的溫度。因此能够了解为，铝合金中含锰量的提升难以避免粗晶环的产生，而仅仅提升了其产生溫度。若维持热处理加温溫度不会改变，则可根据提升锰成分来避免粗晶环的转化成。
a粗晶区 b基材区
图3 热处理后粗晶区和基材区第二相颗粒的尺寸和遍布（TEM）[10]
a粗晶区 b基材区
图4 第二相颗粒的“钉扎”功效（TEM）[10]
2.3 粗晶环是一次加工硬化的結果在热处理加温环节弥漫简谐运动重溶，为晶体的二次加工硬化造就了标准，这被觉得是粗晶环产生的关键原理之一。可是七十年代很多科学研究工作人员更改了这类见解，觉得针对在二次加工硬化时，某些晶体是以加工硬化的小晶体基材成长的，其位错是很坎坷的，在其內部还很有可能留出沒有被吞噬掉的小晶体，具备和成长的晶体贴近的位向，但在粗晶环中，大晶体的位错是直的，成长时位错从折射率管理中心向外挪动，它是一次加工硬化所独有的。
参考文献[11]也对纯铝开展了挤压成型棒料实验，发觉沒有第二相简谐运动的融解，但也都产生了粗晶环。尽管以往许多材料都证实了在热处理时，随着着弥漫简谐运动的融解，边缘比管理中心明显，事实上了它并不是产生粗晶环的缘故。第二相简谐运动的重溶，只有说成降低了织构的钉扎功效，减少了位错挪动摩擦阻力，为晶体成长造就了标准，是危害粗晶环的关键要素之一。
在一般生产制造标准下，全是热处理后产生粗晶环。在挤压成型全过程中，形变、回应、加工硬化基本上是另外产生，因而即便 是加工硬化的晶体有可能再次产生塑性形变，在晶体內部织构产生健身运动、缠结，另外金属材料在模孔处遭受小量形变，也只有表明在铝挤压成型铝型材内存有残留物理学形变，存储着崎变能，为晶体的成长出示推动力。
德国有权威专家强调，粗晶环的产生并不是一般的加工硬化，是因为说白了的集聚加工硬化[12]（加工硬化晶体加温时的持续成长，从棒料低中形变水平的核心区到高形变水平的边沿慢慢成长）之故，所以说不论是铝挤压成型铝型材后产生的粗晶环，或是热处理后产生的粗晶环，全是由一次加工硬化后一切正常成长产生的結果。
3.降低粗晶环的加工工艺对策
3.1 选用润化挤压成型
由以上知挤压成型全过程中的不匀称形变是因为磨擦致起，润化挤压成型能减少形变金属材料和挤压成型筒内腔间的强烈磨擦，减少晶体粉碎水平。使铝挤压成型铝型材在事后的热处理、隔热保温、制冷每个全过程中，晶体不容易成长，能够降低粗晶环区规格。但是，务必强调的是，润化挤压成型可导致油渍压进产品表层，减少良品率。
3.2 选用反挤压成型
正挤压成型时，一般必须30%上下的挤工作压力来摆脱磨擦，而反挤压成型时，金属材料流动性方位与挤压成型轴的健身运动方位反过来，挤压成型筒内金属材料与料层中间无相对速度，故无磨擦。形变只产生在模板周边，内表层金属材料水流量差小，大幅地减少了挤压成型全过程中的不匀称形变，降低了挤压成型全过程中晶体和晶界的毁坏，是合理地清除第一类粗晶环造成的关键方式之一。
3.3 浇铸匀称化退火处理
由以上锰元素对粗晶环产生的作用机理知，第二相颗粒的遍布在挤压成型全过程中的金属材料加工硬化全过程起关键功效，在挤压成型前选用匀称化解决能够利润最大化的使浇铸中的Mg2Si和MnAl6第二相均衡遍布，能够合理阻拦晶体的成长。对6061铝合金浇铸选用整支匀质解决，匀称化规章制度选用匀质溫度530～550℃，隔热保温3钟头，匀称化后开展强制性制冷，能够使Mg2Si和MnAl6等第二相充足融解及平衡，阻拦晶体的成长，降低粗晶环的造成，得到不错的实际效果。
3.4 选用有效的挤压成型速率和挤压成型溫度
挤压成型速率较低时，金属材料流动性速度比较慢，伴随着挤压成型速率加速，金属材料的流动性速率加速，金属材料与模板及挤压成型料层的磨擦提升，促使内表层金属材料水流量差增加，造成明显的裁切形变，裁切形变促使金属材料崎变能提升，有益于加工硬化的产生，另外提升了金属材料的部分溫度，推动了加工硬化成分过冷和成长。由表2能够见到，在同一挤压成型溫度下，伴随着挤压成型速率的转变，粗晶环的深层也慢慢转变，因而，在一定的挤压成型速率下，能够操纵粗晶环的深层。
依据参考文献详细介绍，挤压成型温度低，金属材料处在改变下列溫度的时候容易产生粗晶环，对必须严控粗晶环深层的产品，使挤压成型温控在单相电区域内（或贴近于从两相区向单相电区变化的溫度时），即开展高溫挤压成型，常可降低乃至清除粗晶环。由表3能够见到不一样挤压成型溫度下的粗晶环深层转变。挤压成型速率和挤压成型溫度是相互之间危害的，因而怎么搭配挤压成型速率和挤压成型溫度要依据生活实践必须挑选。
表2 6061铝合金反挤压成型时不一样的挤压成型速率下的粗晶环深层[13]
表3 6061铝合金反挤压成型时不一样挤压成型溫度下粗晶环深层[13]
4.结语
铝挤压成型铝型材在生产过程中便于造成粗晶环，导致产品损毁。文中就粗晶环的产生原理开展了科学研究，并明确提出了生产过程中的防止和控制方法。虽然诸多科研工作者对铝合金型材挤压成型全过程产品中粗晶环的产生原理都有各的基础理论，迄今依然无法达到统一的的共识，但几十年来世界各国对于此事开展的很多科学研究也获得一定的成效，在中国很多铝合金型材厂的生活实践中，粗晶环的总数早已获得合理操纵。伴随着铝合金型材产品向着横截面多元化，复杂的方位发展趋势，客户对铝合金型材产品的品质规定也愈来愈高，尤其是军用商品，在规定无粗晶环下也要确保商品有较高的物理性能，怎样更为细腻地解剖学粗晶环的产生原理，为生产工艺流程调节出示理论来源，降低甚至清除粗晶环的造成依然是将来铝挤压成型铝型材领域所必须科学研究的关键方位。
