正、反挤压工业铝型材的组织性能

由于工业铝型材反向挤压铸锭和挤压筒之间没有相对运动，金属流动减小了不均匀性，使得在组织上显著地减小了粗晶环，减小了不同部位间的性能差异。

由图可以看出，反向挤压工业铝型材的粗晶环较正向挤压的浅，晶粒尺寸小。正挤压的粗晶环浓度达26mm，粗晶晶粒达7.5级，沿长度方向分布最长可达3m以上；反挤压的深度不大于15mm，粗晶晶粒为3级，沿长度方向分布为600mm左右。反挤压工业铝型材晶粒组织明显改善，力学性能的均匀性随之明显提高。

表7-13  正、反挤压2A12工业铝型材棒材各部位的力学性能

正、反挤压工业铝型材组织与力学性能的这些差异，是由于挤压过程中金属变形情况的不同引起的。在正向挤压过程中，金属的变形程度是由型材的中心向外层，由头部向尾部逐渐增加的。工业铝型材在断面上变形的不均匀性，继而发生组织上的不均匀性，是由于外层金属在挤压筒内受到摩擦阻力的作用而产生附加剪切变形，使外层金属遭到较大破碎的结果。这两种流动变形，外摩擦作用非常强烈，外层金属在挤压过程中受到连续不断的剪切变形，随着挤压过程的推进，铸锭长度减小，断面上的剪切变形区不断向锭坯中心扩大，从而使铸锭晶粒遭到破碎的程度，由工业铝型材前端向后端逐渐增大。有些合金在后续的淬火过程中，由于前端变形小，形成再结晶核心少，晶粒较粗大；后端变形大，内能高，形成的再结晶核心多，晶粒较细小，致使前端强度性能低，伸长率高；后端强度性能高，伸长度低。但是当挤压的棒材直径或工业铝型材壁厚较大时，特别是2A50、2A12、7A04等合金，后端组织发生再结晶，产生粗晶环；破碎程度越厉害，产生的粗晶环越严重，对力学性能的影响也越明显。关于粗晶环的形成机制，将在后面章节中进行详细讨论。

但是工业铝型材在反向挤压中，情况与正向挤压有很大的不同。如前面所述，反向挤压的基本特点是锭坯金属与挤压筒壁之间无相对运动，塑性变形区集中在模孔附近，其变形区高度不大于0.3Do。由于塑性变形区之外的金属与筒壁间无摩擦，受力条件为三向等压应力状态。挤压时，塑性变形区中金属与筒壁间的摩擦力的作用方向与金属流出模孔的方向相同，故其死区很小，因而出现了两个问题：（1）死区不能阻留锭坯表面层的金属流向工业铝型材的表面层。24.5MN反向挤压机生产2A11∅50mm棒材时，可以看到棒材表面上残存的铸块车削时的螺旋刀痕。（2）塑性变形只集中在模孔附近，使工业铝型材的变形均匀性增加，特别是沿长度方向更为明显，使得工业铝型材组织得到改善，粗晶环显著减小，力学性能的差异明显减轻。

反向挤压工业铝型材的组织、性能得到明显改善是毫无疑义的，但是，工业铝型材的尾端仍然存在一定的粗晶环组织，并在一定条件下工业铝型材中心还出现了粗晶环组织。当然反挤压制品的粗晶环与正挤压的比较，深度浅，晶粒细，长度短，尾端切去600mm左右即可满足要求；而正挤压型材需切去1500mm，有时甚至需切去3000mm以上才能满足需要。

反挤压工业铝型材产生粗晶环、粗晶芯组织的原因，是因为平模挤压的棒材较大，挤压系数较小，存在一定的死区。在死区的交界面处产生了剪切变形。随着挤压过程的进行，锭坯越来越短，能补充的金属量越来越少。当金属消耗至一定程度时，发生剪切变形的死区交界层逐渐补充流向模孔的外层；中心层多属也严重不足，致使一部分金属克服堵头或挤压垫的摩擦流入模孔中心。流入中心和流入周边部分的金属都受到了剧烈的剪切应力，发生了明显的剪切变形，从而在热处理过程中形成了粗晶环和粗晶芯组织。但是，与正向挤压相比，死区小得多，所以其粗晶环的深度和存在的长度都比较小；又因其晶粒破碎没有正向挤压严重，故粗晶环和粗晶芯的晶粒都比较细小。

同时，生产实践发现，工业铝型材反挤压产生的粗晶芯随着合金的不同而不同。2A11、2A50合金出现粗晶芯；7A04合金出现细晶芯；2A12合金或出现粗晶芯，或出现细晶芯。粗晶芯分布于中心缩尾（反挤压留下的压余较少，中心金属补充不足，形成集中缩尾），两侧向前延伸，逐渐缩小直至消失，长度一般不超过600mm，其晶粒与粗晶环的晶粒相近。

细晶芯的出现可能是7A04合金变形抗力大，发生的剪切变形相对较小，克服堵头或挤压垫片摩擦向中部流动的量也比较少，其晶破碎的程度不如2A50、2A11合金严重，在进行热处理时，没有发生二次再结晶，因而出现晶粒更细的细晶民间组织。

2A12合金的变形抗力介于2A50和7A04合金之间，因此其工业铝型材中心部分晶粒破碎的程度也介于二者之间，故在淬火时，有可能发生二次再结晶成为粗晶芯，也可能不发生二次再结晶而呈细晶芯组织。