前言
中国铝挤压工业在20世纪80年代得到了快速发展, 进入21世纪,
中国已成为全球最大的铝挤压材生产国及净出口国。2006年中国铝挤压材产量达到402万t, 其中管材的产量达到11万t,
成为世界最主要的铝加工生产基地。
铝及铝合金管材因生产工艺不同, 可分为有缝管和无缝管。有缝管是采用分流组合模或桥式组合模,
挤压时用实心铸锭经分流桥将金属分成2~4股, 之后金属流进焊合室内, 在高温高压下,
使金属焊合而生产出挤压管材。金属在焊合时受到挤压力、 挤压温度及金属表面状况等多种因素的作用, 对管材的焊合品质造成一定影响,
降低了管材的整体性能。无缝管是采用穿孔针挤压的方式, 使用空心铸锭或实心铸锭。穿孔针在穿孔力的作用下, 穿入铸锭中心,
与挤压模之间形成环形空间, 金属从环形空间流出而形成挤压管材。由于挤压过程中金属始终为一整体, 没有焊合线, 提高了管材的整体性,
有利于挤压管材进一步冷加工生产。铝及铝合金无缝挤压管最大的特点是采用穿孔针挤压, 由于空心铸锭生产难度较大,
特别是裂纹倾向大的含合金元素多的合金, 空心铸锭难以生产。同时受到穿孔针直径及强度限制, 以及设备能力与精度等各种因素的影响,
给管材的生产带来了一系列困难。
随着国家降本减耗等一系列政策的出台, 对管材的要求越来越高, 100 MN、 125 MN等大挤压力的双动挤压机相继投入使用,
其生产工艺不断优化。本书为中国有色金属工业协会组织编写《中国有色金属丛书》之一种。 作者根据多年来技术开发与研制,
在生产经验的积累和总结的基础上, 参阅、 整理大量最新技术文献和资料, 编写成本书, 期望能成为铝加工企业的生产技术工人、
工程技术人员、 研究人员和高校师生有用的参考书。
本书共分9章, 第1章为铝合金无缝管的特性、 分类、 工艺流程及工艺特点等曹秀萍编写;
第2章为铝及铝合金管材挤压技术与工艺曹秀萍编写; 第3章为铝及铝合金管材轧制技术及工艺曹秀萍编写;
第4章为铝及铝合金管材拉伸技术与工艺魏长传编写; 第5章为铝及铝合金管材精整与矫直魏长传编写;
第6章为铝及铝合金管材热处理魏长传编写; 第7章为工模具设计与制造魏长传编写; 第8章为铝及铝合金管材加工设备石建业编写;
第9章铝及铝合金管材缺?产生原因及预防措施魏长传编写; 第10章为安全生产与环境保护魏长传编写。
在编写本书过程中引用了国内外专家学者和工程技术人员许多宝贵的资料和技术成果, 所引用之处均以参考文献明示; 除此之外,
还得到了中国铝业公司、 中南大学、 西北铝加工分公司相关人员的大力支持, 在此向他她们表示深深的谢意。
由于作者的学识和经验有限, 书中难免有不妥之处, 敬请广大读者批评指正。
编 者
2009年8月
总序
有色金属是重要的基础原材料, 广泛应用于电力、 交通、 建筑、 机械、 电子信息、 航空航天和国防军工等领域,
在保障国民经济建设和社会发展等方面发挥了不可或缺的作用。
改革开放以来, 特别是新世纪以来, 我国有色金属工业持续快速发展, 已成为世界最大的有色金属生产国和消费国, 产业整体实力显著增强,
在国际同行业中的影响力日益提高。主要表现在: 总产量和消费量持续快速增长, 2008年, 十种有色金属总产量2 520万吨,
连续七年居世界第一, 其中铜产量和消费量分别占世界的20%和24%; 电解铝、 铅、
锌产量和消费量均占世界总量的30%以上。经济效益大幅提高, 2008年, 规模以上企业实现销售收入预计2.1万亿以上,
实现利润预计800亿元以上。产业结构优化升级步伐加快, 2005年已全部淘汰了落后的自焙铝电解槽; 目前, 铜、 铅、
锌先进冶炼技术产能占总产能的85%以上; 铜、 铝加工能力有较大改善。自主创新能力显著增强, 自主研发的具有自主知识产权的350
kA、 400 kA大型预焙电解槽技术处于世界铝工业先进水平, 并已输出到国外; 高精度内螺纹铜管、 高档铝合金建筑型材及时速350
km高速列车用铝材不仅满足了国内需求, 已大量出口到发达国家和地区。国内矿山新一轮找矿和境外矿产资源开发取得了突破性进展,
现有9大矿区的边部和深部找矿成效显著, 一批有实力的大型企业集团在海外资源开发和收购重组境外矿山企业方面迈出了实质性步伐,
有效增强了矿产资源的保障能力。
2008年9月份以来, 我国有色金属工业受到了国际金融危机的严重冲击, 产品价格暴跌, 市场需求萎缩, 生产增幅大幅回落,
企业利润急剧下降, 部分行业已出现亏损。纵观整体形势, 我国有色金属工业仍处在重要机遇期, 挑战和机遇并存,
长期发展向好的趋势没有改变。今后一个时期, 我国有色金属工业发展以控制总量、 淘汰落后、 技术改造、 企业重组、
充分利用境内外两种资源, 提高资源保障能力为重点, 推动产业结构调整和优化升级, 促进有色金属工业可持续发展。
实现有色金属工业持续发展, 必须依靠科技进步, 关键在人才。为了全面提高劳动者素质,
培养一大批高水平的科技创新人才和高技能的技术工人, 由中国有色金属工业协会牵头, 组织中南大学出版社及有关企业、
科研院校数百名有经验的专家学者、 工程技术人员, 编写了《中国有色金属丛书》。《丛书》内容丰富, 专业齐全, 科学系统, 实用性强,
是一套好教材, 也可作为企业管理人员和相关专业大学生的参考书。经过编写、 编辑、 出版人员的艰辛努力,
《丛书》即将陆续与广大读者见面。相信它一定会为培?我国有色金属行业高素质人才, 提高科技水平, 实现产业振兴发挥积极作用。
康义
2009年3月
第1章 铝及铝合金管材
1.1 铝及铝合金管材概述
铝之所以成为最通用的结构材料之一, 其特性就给人以深刻的印象。铝的质量轻, 而且某些铝合金的强度还高于结构钢。在大多数使用条件下,
铝具有很高的抗腐蚀性,
它不形成有色盐类物质污染邻近的表面或不使与它接触的物质如纺织工业上的纺织品和化学设备中的溶液变色。它具有良好的导电和导热性,
高的热、 光反射性。铝易于加工成各种形状, 并?于进行各种表面处理。
铝的密度为2.7 gcm3, 约为钢的35%, 铜的30%。
工业纯铝的抗拉强度约为100 MPa,
作为结构材料在使用上多少会受到限制。对铝进行冷加工如冷轧其强度能提高一倍左右。在铝中加入少量的一种或几种其他金属, 例如锰、 硅、
铜、 镁或锌, 配合热处理便能大大地提高其强度。和纯铝一样, 对铝合金进行冷加工也能提高其强度, 至今已能得到抗拉强度超过700
MPa的铝合金。
通过各种冷加工和热处理, 可得到很多种不同力学性能或状态的铝合金。在规定给定的任何产品的状态时,
应考虑加工方法和金属所接受的冷加工量。换句话说, 规定的状态应是指: 在加工过程中,
金属接受的冷加工量会改善所需的最终产品的特性。
当铝的表面暴露于大气中时, 会迅速形成一层肉眼看不见的氧化膜, 使铝不再氧化。除非是暴露在某种能破坏氧化膜保护层的物质或环境中,
否则铝就完全不会受到腐蚀。铝具有很高的耐大气腐蚀性,
即使在对其他金属有腐蚀性的工业气氛中也是如此。它还能抗多种酸的腐蚀。碱是破坏氧化膜的少数物质之一,
因此对铝有腐蚀作用。虽然采用抑制剂能使铝安全地用在某些存在弱碱性的场合, 但总的来说, 应避免使铝直接与碱性物质接触。
铝无毒这一特性使其可用作炊具。目前, 在食品加工业中正使用大量铝制品。还可以使铝箔安全的直接用于包装食品。但铝对人体无害这一观点,
近些年来受到了质疑。
铝具有高导电率, 是用做导电体的普通金属之一。电导体铝1350合金的电导率约为国际退火铜标准的62%。由于铝的密度约为铜的30%,
因此用做电导体时, 1 kg铝的导电能力大约为1 kg铜的两倍。加入合金元素会使电导率稍微降低, 虽然如此, 在一切可能的地方,
还是都把1350合金作为电导体。
铝具有良好的导热性,
在最初大规模工业应用中如制作炊具发挥了很大的作用。只要涉及到热能从一种介质传到另一种介质无论是加热还是冷却,
导热性就非常重要。因此, 铝质热交换器被普遍用在食品、 化工、 石油、
航空和其他工业中。铝不仅是紫外线全波长范围内辐射能和从红外线可见光谱的辐射能的极好反射体, 而且是热波、
无线电和雷达的电磁波的极好反射体。
铝的反光率达80%以上, 这一特性使铝广泛用在照明灯具上。用铝材盖的房屋瓦能反射大部分太阳热能,
因此用铝材建筑的屋顶夏天比较凉爽。
铝易于加工成形, 这是它的最重要的优点之一。铝可用铸工所知的任何一种方法进行铸造; 可轧制成所需的任意厚度, 甚至比纸还薄?铝箔;
铝可以冲压、 拉伸、 旋压或轧制成形。铝也可捶打或锻造。将铝挤压成各种不同的形状, 几乎不受限制。
铝的机械加工性好, 加工速度快, 这是铝成品成本低的重要因素之一。铝可用车削、 铣削、
镗孔等方法进行机械加工。在自动车床上可以方便地使用铝棒加工零件。
几乎任何接合方法如铆接、 焊接都适用于铝。各种各样的铝机械紧固件简化了许多产品的装配。铝零件的连接法也得到了广泛应用,
尤其是在飞机制造中应用很广泛。
铝在大多数使用情况下不需要保护涂层。当铝表面满足不了要求或需要加以保护的情况下, 可采用?种表面涂饰法中的任何一种方法进行保护,
化学、 电化学或漆饰法都可采用。铝在化学涂饰和电化学涂饰过程中可获得多种颜色, 如果涂漆, 可采用真漆或搪漆, 颜色不限。
铝在大多数情况下, 往往是由两种或是两种以上的特性共同发挥作用的, 例如质量轻而强度高, 广泛用于飞机、 铁道车辆、
载重汽车及其他运输设备。良好的耐腐蚀性和导热性对化工和石油工业设备是很重要的。这些性能加上无毒性就可用来作食品加工设备的制品。外形美观、
耐大气腐蚀以及维修量低, 使铝广泛用在各类建筑物上。高反射性、 耐大气腐蚀及质量轻, 在屋顶材料中都?很重要的。不论用做什么,
质量轻都有利于降低贮运费用。目前, 在许多使用场合只有具有多种性能的铝材才能满足要求。在我国企业中,
铝已作为一种基本材料而使用。
高纯铝软而塑性好, 但在大多数工业使用情况下, 其强度满足不了要求。 在铝中添加其他元素来生产各种合金,
这些元素可单独或相互配合使铝的强度得到提高。此外, 通过热处理还可进一步改善其性能,
因此把铝合金分为热处理不可强化的和热处理可强化的两大类。
热处理不强化的铝合金是仅冷加工能够强化而热处理不能明显强化的合金。这类合金的初始强度取决于锰、 硅? 铁和镁金属元素的强化效应,
这些元素可单独或相互配合的起作用。热处理不强化铝合金通常属于1XXX、
3XXX或5XXX系列等。因为这类合金可通过不同程度的冷加工量来进一步提高合金的强度,
一般状态代号用“H”表示。对于含镁量较高的合金通常要进行稳定化处理, 以确保性能稳定性。
热处理可强化的铝合金是通过适当的热处理能够强化的铝合金。所谓热处理是合金被加热到某一适当温度, 在此温度保温,
使可溶组分充分进入固溶体中, 并在淬火后可溶组分以过饱和状态保留在固溶体中的处理通常是在水中淬火。这些合金淬火后组织不稳定,
过饱?固溶体有分解倾向。在室温下搁置几天后称为自然时效, 合金的强度会大大提高。有些合金在室温下能达到稳定状态, 但有些合金,
尤其是含镁和硅、 或镁和锌的合金需要在室温下搁置很长时间才能达到一定强化程度。因此对这些合金在适当的温度下加热一段时间,
可使合金进一步强化并使其性能稳定, 这种方法叫人工时效。总之将淬火冷加工与人工时效恰当配合, 可得到最佳的强度或综合性能。
1变形铝及铝合金牌号表示方法见GBT 16474—1996
1XXX系列。铝含量不小于99.00%的纯铝, 用途很广泛, 在电器或化学领域里尤其如此。该系列的铝材具有良好的耐腐蚀性, 导热、
导电率高, 力学性能低, 具有极好的可塑性。通过加工硬化可在一定程度上提高其强度。铁和硅是其主要杂质。
2XXX系列。以铜为主要合金元素的铝合金。该系列合金需要进行热处理, 以获得最佳性能。
热处理状态的力学性能类似于有时高于低碳钢。在某些情况下, 采用人工时效来进一步提高力学性能, 即提高材料的屈服强度,
但伸长率相对降低, 对极限抗拉强度的影响不大。该系列合金的耐腐蚀性不如大多数其他铝合金好,
在一定条件下会产生晶间腐蚀。2024铝合金是使用最广泛的航空材料。
3XXX系列。以锰为主要合金元素的铝合金。该系列合金属于热处理不强化铝合金。
4XXX系列。以硅为主要合金元素的铝合金。加入足量的硅, 能显著降低熔点而不会使产品的塑性下降。鉴于上述原因,
Al—Si合金用做焊条和熔点比基体金属低的钎焊合金。该系列中的大多数合金是热处理不强化铝合金, 但当用来焊接热处理可强化的铝合金时,
焊缝会吸取后者的某些成分, 因此应视情况进行热处理。进行阳极氧化着色时含大量硅的合金会变成深灰色,
因此该系列铝合金适宜用做建筑材料。
5XXX系列。以镁为主要合金元素的铝合金。对铝合金而言,
镁是最有效和最广泛使用的金属之一。如将镁用做主要合金元素或将镁和锰一起用做合金元素时,
其结果是得到中等强度乃至高强度的热处理不强化的铝合金。 作为一种硬化剂, 镁比锰有效得多,
大约0.8%的镁就等于1.25%的锰。该系列铝合金具有良好的焊接性和耐海洋大气的腐蚀性。
6XXX系列。以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化的铝合金。该系列铝合金属于热处理强化铝合金, 典型的是6061合金。
虽然其强度比2XXX系或7XXX系中的大多数合金的低, 但具有良好的成型性和耐腐蚀性。
7XXX系列。以锌为主要合金元素的铝合金。加入适量镁就形成热处理可强化铝合金。 通常还加少量的其他元素,
例如铜和铬。该系列中最典型的是7075合金, 它是目前能生产的强度最高的合金之一, 用做飞机骨架结构件和高度受力的部件。
8XXX系列。以某些合金元素如抗为主要合金元素的铝合金, 如8A06、 8011和8090等合金。
9XXX系列——为备用合金组。
2铝合金基础状态代号
F为自由加工状态, 适用于在成形过程中, 对加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品, 该状态产品的力学性能不作规定。
O为退火状态, 适用于经完全退火获得最低强度的加工产品。
H为加工硬化状态, 适用于通过加工硬化提?强度的产品,
产品在加工硬化后可经过也可不经过使强度有所降低的附加热处理。H代号后面必须跟有两位或三位阿拉伯数字,
如HX1是抗拉强度极限为O状态与HX2状态的中间值, 又如HX2是抗拉强度极限为O状态与HX4状态的中间值等等。HX8是硬状态。
HX9是超硬状态。
W为固溶处理状态, 是一种不稳定状态, 仅适用于经固溶处理后,
室温下自然时效的合金。该状态代号仅表示产品处于自然时效阶段。
T为热处理状态不同于F、 O、 H状态, 适用于热处理后,
经过或不经过加工硬化达到稳定状态的产品。T代号后面必须跟有一位或多位阿拉伯数字, TX, 在T后面添加0~10的阿位伯数字,
表示细分状态: T0为固溶处理后, 经自然时效再通过冷加工的状态, 适用于经冷加工提高强度的产品;
T4为固溶处理后自然时效至基本稳定的状态, 适用于固溶处理后, 不再进行冷加工的产品; T6为固溶处理后进行人工时效的状态,
适用于固溶处理人工时效后, 不再进行冷加工的产品, 等等。
应说明, 我国原有标准GB340—76中状态代号是, M为退火, R为热加工, Y为冷加工硬化, C为淬火, Z为自然时效,
S为人工时效。1996年发布新标准GBT 16475—1996, 基础状态代号是, F为自由加工、 O为退火、 H为加工硬化、
W为?溶处理、 T为热处理状态。T状态细分为10种, 如T1、
T2…详细可查阅标准。铝合金状态代号的原标准和新标准对照见表1-1。
表1-1 状态对照表
1.2 管材的品种、 分类及用途
铝及铝合金管材用途广泛, 规格品种繁多, 因此, 必须按照它们的尺寸形状、 供应状态、 内部组织特性、 生产方法和用途的不同加以分类,
并给予相应的表示标记。管材生产方法较复杂, 工序多, 常常需要进行反复热变形和冷变形、 各种热处理和精整等。但基本的变形方式仍是挤压、
轧制和拉拔。管材是轻金属材料中的主要产品。 铝及铝合金管材主?用于航空、 宇宙飞行、 国防工业、 交通运输、 电子通讯、 造船、
电力和建筑等行业。
1.2.1 铝及铝合金管材的品种、 分类
铝及铝合金管品种规格很多, 根据生产方法、 断面形状、 尺寸、 精度等级、 供应方式、 内部组织特征及用途的不同分类如下。
①根据几何形状的不同可分为: 圆管、 方管、 矩形管、 滴形管、 梯形管、 椭圆形管、 异形管和变断面管等多种。
②根据其生产方法不同分为: 挤压管、 冷轧管、 拉拔管、 旋压管等多种。
挤压管是通过挤压方法, 直接生产最终成品的管材。冷轧管是通过挤压方法生?管材压延坯料, 然后再经过轧制、
拉拔的加工方法使其获得最终成品的管材。拉拔管是通过挤压方法生产管材拉拔坯料,
然后再经过拉拔的加工方法使其获得最终成品的管材。旋压管是通过旋压方法直接获得最终成品的管材。
③根据管材的状态不同可分为: 退火状态管材、 淬火状态管材、 硬状态管材和挤压状态管材等。
④根据管材厚壁的不同可分为: 厚壁管和薄壁管。区别厚壁管和薄壁管,
不能简单以壁厚的尺寸大小来确定。有的薄壁管材的壁厚可能比厚壁管材的壁厚还要大。因此,
只有通过管材的技术标准来确定厚壁管和薄壁管。
⑤根?管材的内部组织特征不同可分为: 无缝管材和有缝管材。
⑥根据管材的用途不同可分为: 军用和民用导管、 壳体管、 容器管、 钻探管、 套管、 波导管、 冷凝管、 蒸发皿管、 光学仪器管、
农用灌溉管、 旗杆、 电线杆、 集电弓杆、 撬棍以及其他如耕种结构件管和装饰管以及生活用品管等。
1.2.2 铝及铝合金管材的规格及表示方法
铝及铝合金管材的规格范围取决于挤压机的吨位挤压力、 挤压工具的配备、 轧管机、 拉拔机、 矫直机的设备能力、
管材的合金和技术标准要求。国家推荐标准中确定的挤压管尺寸范围为外径Φ25 mm~Φ400 mm; 壁厚5~50 mm;
冷拉轧制管尺寸范围为外径6~120 mm; 壁厚0.5~5 mm。
目前用挤压法生产的铝合金管材最大直径可达1500 mm, 最小直径4 mm, 冷轧薄管最大直径可达120 mm以上, 最小直径15
mm以下。冷拉薄管直径在3~500 mm, 用旋压法则可轧出直径3000 mm以上的薄壁管。用连续自动管材生产线、
康福姆挤压法或盘管拉拔可生产1000 m以上的长管。
管材的表示方法如图1-1所示。
图1-1 管材断面图
其他复杂断面管材和具有特殊尺寸要求的管材如图g、 h、 i、 j, 则要求用相关的图纸和图号表示。
1.2.3 铝及铝合金铸锭品质要求
铝及铝合金管材挤压用铸锭采用空心铸锭或实心铸锭, 经合金配制、 熔炼、 铸造、 表面机械加工、 均匀化退火等工序供挤压用,
铸锭的品质直接影响到挤压后的产品品质。
实心铸锭采用穿孔挤压方式, 即穿孔针在较大穿孔力的作用下, 穿入铸锭中心, 实现管材挤压, 该方式主要适用于软合金。
由于采用实心铸锭, 挤压管材尺寸精度主要决定于设备精度及穿孔针的强度。 挤压后的管材容易产生偏心,
对铸锭要求外径尽量与挤压筒直径相近, 一般小于挤压筒直径3~5 mm, 以减小镦粗变形量。
空心铸锭采用半穿孔挤压或正常的穿孔挤压, 半穿孔挤压就是空心铸锭的内径尺寸小于穿孔针直径, 在穿孔过程中,
穿孔针将铸锭内孔的金属穿出去, 使内孔金属为新金属表面,
消除内孔偏析瘤和杂物等。该方式适用于小直径铸锭镗孔困难的软合金。正常的穿孔挤压就是空心铸锭的内径尺寸大于穿孔针直径,
穿孔针在穿孔时不与铸锭内孔接触, 可以有效地防止穿孔针上的润滑油被刮掉, 提高挤压品质。铸锭表面品质及尺寸公差见表1-2。
表1-2 铸锭表面品质及尺寸公差mm
铸锭经车皮、 镗孔后的内外表面品质要求表面粗糙度不小于Ra12.5 μm; 内外表面刀痕应光滑过渡,
不应有尖角和因车刀不快或粘金属等原因而产生毛刺、 撕裂等; 铸锭表面应干净, 不应有铝屑、 油污等杂物。
铸锭经均匀化处理后, 其组织在高倍检验时不应有过烧现象。
铸锭低倍或断口检查时, 不应有裂纹缺陷等存在。对夹渣、 气孔、 白斑、 化合物、 疏松、 光亮晶粒、 粗大晶粒、 氧化膜等缺陷,
按相关技术要求处理。
1.3 管材的生产方法与工艺流程
无缝管材是挤压产品一个主要品种。 目前, 管材挤压方法主要用于铜及铜合金、 铝及铝合金无缝管材生产。用挤压方法生产铝合金管材时,
与采用热轧方法生?铝合金管材相比具有以下优点: 挤压管材的品质比热轧的高; 挤压方法可以生产多品种、 多规格的管材;
挤压可以一次获得较大的变形量; 挤压可以生产出壁厚较薄的毛料, 因此, 可以减少冷加工道次。
1.3.1 管材的生产方法
管材的生产方法主要有挤压、 拉拔、 轧制、 旋压、 焊接等方法。焊接方法生产出来的管材属于有缝管材。采用实心铸锭,
通过分流模和舌形模挤压生产的管材也属于有缝管。其他方法生产的管材均为无缝管材。目前生产铝合金管材方法,
主要是采用挤压方法并配合拉拔和冷轧等冷加工方法生产。生产时可根据管材的合金、 格采用其中一种方法, 也可以同时采用两种以上方法生产,
主要根据工厂的综合设备能力、 生产效率以及产品成品率等灵活选择。管材生产方案见表1-3。
表1-3 铝及铝合金管材生产方案
1.3.2 管材的主要生产工艺流程
1挤压管材生产工艺流程
挤压管材生产工艺流程见图1-2。
图1-2 挤压管材生产工艺流程
2拉伸管材生产工艺流程
拉伸管材生产工艺流程见图1-3。
图1-3 拉伸管材生产工艺流程
注: ①根据加工需要, 可进行反复多次中间退火;
②根?产品性能要求和加工方便, 有的产品可在整径后淬火。
3轧制管生产工艺流程
轧制管材生产工艺流程见图1-4。
1.4 铝及铝合金管材生产的工艺特点
1铝及铝合金管材的种类很多, 按其强度特点和加工性能的差别, 生产中一般分为纯铝1XXX、 软合金3XXX、 5XXX、
6XXX和硬合金2XXX、 4XXX、 7XXX管材三大类。纯铝和软合金管材的挤压比较容易, 变形量大, 而且表面也好。相反,
硬合金管材的挤压则比较困难, 变形量不宜过大, 需要较大的设备能力, 表面也容易出现各种缺陷。因此, 操作技术要求较高, ?序繁多,
生产的周期长, 工模具消耗大, 成本较高, 成品率较低。
2铝及铝合金管材的表面品质要求较高, 但其硬度并不高, 特别在热状态下。 因此生产和装运过程中都要十分注意, 不能磕碰坚硬的东西,
防止磕碰伤, 这就要求在生产和吊运中, 加强对产品的防护, 同时在工作中必须做到轻拿轻放、 保护表面、 文明生产。
3铝及铝合金管材挤压时均易发生粘铝现象, 常常会局部地粘在工具上而造成管材内、 外表面的各种缺陷。因此,
在挤压时除采用工艺润滑外, 工具的表面光洁度和表面硬度都要求较高, 所有与管材相接触的表面都应符合工艺?求。
4挤压铝及铝合金管材时, 除纯铝可以不控制挤压速度之外, 其他合金的管材都有各自合适的挤压速度, 生产时必须严格控制, 因此,
应选择速度可调的挤压机。
5许多铝及铝合金在高的温度和压力下都易焊合在一起, 给生产管材带来了有利条件。例如:
平面组合模和舌形模挤压就是利用这一特性来生产管材的。这不仅扩大了管材的品种、 规格和用途,
而且可在普通单动挤压机上采用实心铸锭来挤压管材和复杂断面空心型材。
6在适当的工艺条件下, 可采用穿孔挤压。 在穿孔挤压过程中,
一般用过的挤压筒的内表面不润滑挤压和?孔针表面上都粘附有一层完整的金属套, 操作时应使这层金属套保持干净和完整,
以便生产出高品质的管材。否则会恶化管材内、 外表面品质, 产生气泡、 起皮和擦伤等缺陷。
7为保证管材的尺寸精度, 减少壁厚偏心度, 防止断针和损坏其他工具, 应尽量保证设备和工具的对中性。
8铝及铝合金管材不适于脱皮挤压方法进行生产。主要原因是脱出的外壳已破坏, 很难清除掉。
第2章 铝及铝合金管材挤压
2.1 铝及铝合金管材挤压方法
管材是沿其纵向全长, 仅有一个封闭的通孔, 且壁厚、 横截面积都均匀一致的空心压力加工?品, 并呈直线或成卷交货。所谓挤压,
就是对放在容器内的金属锭坯从一端施加外力, 强迫其从特定的模孔中流出,
获得所需要的断面形状和尺寸的制品的一种塑性加工方法。
目前, 铝及铝合金管材的品种、 规格近万种, 大部分是用挤压方法生产的。管材的挤压方法有很多种,
不同的生产方法都有各自的特点和适用范围。对于不同的金属、 合金、 规格的管材, 其生产方法不完全相同。这主要是由于铝及铝合金管材规格、
品种繁多, 尺寸、 表面品质要求严, 批多量少等特点决定的。
挤压方法的主要特点有:
①金属在挤压筒内为三向压应力状态, 因而可充分发挥其塑性;
②尺寸精度高、 表面品质好;
③生产灵活性大;
④对含有高镁、 锰、 铬、 锆等元素的铝合金来说, 可以获得挤压效应。
鉴于挤压法具备上述的特点, 现在应用最广泛的方法有:
①按金属相对于挤压轴运动特点分正向挤压、 反向挤压和正反向联合挤压;
②按出料方向可分为卧式挤压和立式挤压;
③按照穿孔针与挤压轴的相互运动关系可分为固定针挤压和随动针挤压;
④按挤压工艺特点不同又可分为热挤压、 冷挤压、 康福姆挤压、 侧向挤压、 静液挤压等。
总之, 上述挤?方法中有些是彼此包含的。对所需要的某一种管材, 往往可以采用多种挤压方法生产。通常是根据管材的合金状态、 用途、
形状、 尺寸、 技术要求, 结合设备能力、 工艺水平以及前后工序的衔接,
选择一种最经济合理的挤压方法。生产铝及铝合金管材的挤压方法很多, 实践中普遍采用的方法是: 正向挤压和反向挤压固定针挤压法、
随动针挤压法、 穿孔挤压法、 分流模挤压法, 等等。
2.1.1 铝及铝合金管材正向挤压法
挤压时金属制品的流动方向与挤压轴运动方向相同的挤压方法, 叫做正向挤压, 简称正挤压。正向挤压是管材最基本的、
也是最广泛采用的生产方法, 正向挤压可以在卧式挤压机上进行, 也可以在立式挤压机上进行。用此方法可生产各种挤压制品,
如图2-1所示。
挤压时, 铸锭3放在挤压筒1内, 在挤压轴2的压力作用下, 金属从模孔4流出得到挤压制品5。
正向挤压法的主要特点是在挤压过程中, 挤压筒固定不动, 铸锭在挤压轴压力的作用下, 沿挤压筒内壁移动,
压出金属的流动方向与挤压轴的运动方向相同。正向挤压法的优点很多, 灵活性很大, 可以生产各种挤压制品。从设备结构、
工具装配和生产操作等方面来看, 正挤压法一般都比其他挤压法简单,
故在生产中绝大多数采用正向挤压方法。正向挤压法的主要缺点是在挤压过程中, 由于铸锭沿挤压筒的内壁移动而引起了很大的摩擦力,
使金属的流动不均匀, 从而增加了挤压制品组织和性能的不均匀性,
常在挤压制品尾部形成缩尾和粗晶环等废品和缺陷。正向挤压法所需要的挤压力要比反向挤压法的高30%~40%。
正向挤压的具体方法如下:
1铝及铝合金管材固定针正向挤压法
固定针挤压法是无缝管材生产中应用最广泛的挤压方法。
固定针挤压是将挤压针固定在具有独立穿孔系统的双动挤压机的挤压针支承上。生产过程中,
固定挤压针的位置相对模子是固定不变的。当更换产品规格时, 一般只更换其针尖、 模子即可。它所用的坯料是空心铸锭。铸锭内、
外表面需经过车皮和镗孔。在挤压前要对挤压针涂以润滑油,
其目的是减少铸锭对挤压针的摩擦力和保证管材内表面品质。图2-2为这种挤压法生产管材示意图。
图2-2 固定针正向挤压法生产管材示意图
挤压时, 将铸锭6放入挤压筒1中, 在挤压轴5的压力作用下, 迫使金属通过摸孔2与挤压针3针尖所形成的环形间隙流出,
得到与环形间隙形状和尺寸相同的挤压管材。
固定穿孔针挤压法的主要特点是: 在管材挤压过程中, 穿孔针的位置是固定不变的, 铸锭紧抱在穿孔针上, 在挤压力的作用下,
与挤压轴同步向前滑动。由于摩擦力的作用, 穿孔针受到拉力。
固定针正向挤压法的优缺点如下:
①可以生产多种规格管材, 只要更换模子和针尖规格, 即可以改变挤压管材的尺寸;
②可生产无缝管材和断面不复杂的无缝空心型材;
③由于铸锭的几何形状与挤压管材的几何形状相似, 因此金属的变形均匀, 挤压管材的组织也相对均匀;
④固定穿孔针挤压时, 穿孔针受较大的拉力, 这个拉力与铸锭的长度成正比例关系, 因此, 生产中铸锭的长度受限;
⑤由于采?空心铸锭挤压, 因此增加了铸锭的生产难度和成本, 降低了铸锭的成品率;
⑥由于穿孔针受很大的拉力, 生产中断针现象普遍, 工具损耗大, 工具成本增加;
⑦设备构造复杂, 精度要求高, 设备价格贵;
⑧由于铸锭与穿孔针之间有摩擦力作用, 当润滑效果不好时, 造成内表面擦伤、 石墨压入等废品;
⑨工具系统的装配精度直接影响挤压管材的尺寸精度, 对工具系统的制造精度和装配精度要求高。
2铝及铝合金管材随动针正向挤压法
随动针挤压是将挤压针固定在无独立穿孔系统挤压机的挤压轴上, 生产过程中, 由于随动针是固定在挤压轴上, 随着挤压过程的进行,
挤压针也随着挤压轴同步移动, 因而随动针与模孔工作带的相对位置是随着挤压过程的进行而变动的。当改变挤压管材规格时,
必须更换整根挤压针, 同时还需要相应的变更铸坯的内孔尺寸。坯料都是经车皮镗孔的, 挤压前将挤压针均匀涂上润滑剂,
以减少管材内表面的擦伤缺陷, 如图2-3所示。
挤压时, 将铸锭6放人挤压筒4中, 在挤压轴1的压力作用下, 迫使金属通过模孔5与挤压针3所形成的环形间隙流出,
获得管材7。
随动针挤压法的主要特点是: 在挤压过程中, 挤压筒固定不动, 铸锭在挤压轴压力作用下, 沿挤压筒内壁移动,
但随动针与挤压金属的相对运动比较小, 挤压管材的内表面品质较好, 挤压速度较高。但随动针挤压管材的偏心度较大,
中心调整也比较困难。
随动针挤压法的主要优缺点是:
①铸锭与挤压针无相对摩擦, 挤压速度相对固定穿孔针要快, 管材内表面品质较好;
②工具和设备简单, 操作简便;
③可以生产多规格管材;
④金属流动均匀, 产品组织和性能均匀;
⑤随动针要求具有一定的锥度, 因此生产管材的头尾尺寸偏差较大;
⑥铸锭规格繁多, 不具备互换性, 组织生产比较复杂;
⑦挤压中?调整比较困难。
3铝及铝合金管材穿孔挤压法
穿孔挤压法生产铝及铝合金管材, 所用的铸锭一般是实心锭, 也可以采用内径小于挤压针外径的空心铸锭进行, 简称半穿孔挤压。半穿孔挤压,
其铸锭必须经车皮、 镗孔, 以消除表面缺陷。图2-4为管材穿孔挤压过程示意图。
挤压时, 将铸锭1放入挤压筒2中, 在挤压轴5的作用下, 进行填充挤压, 如图填充后将挤压轴5退回一定距离,
而后推进挤压针6进行穿孔。 此时, 金属将沿着挤压针运动相反的方向发生反向流动, 将挤压针伸入模孔中并与摸孔工作带形成环状间隙。此时,
挤压针6固定不动, 推动挤压轴5和垫片4进行挤压, 迫使金属通过模孔3与挤压针6针尖形成的环形间隙流出,
获得所需的挤压制品9。
穿孔挤压的特点是: 挤压时采用实心铸锭, 挤压管材之前必须先用挤压针进行穿孔, 此时,
金属发生反向流动。穿孔挤压时挤压针一般不涂油或涂一薄层较干的润滑剂例如:
用60%~70%苯甲基硅油加30%~40%粉状石墨的润滑剂。另外, 在挤压之前, 可不清理挤压针上所粘附的金属。
穿孔挤压的主要优缺点是:
①挤压管材的内表面品质高;
②由于穿孔挤压采用实心铸锭, 铸锭的成本低;
③穿孔过程穿孔针受较大的压?, 易造成弯曲和断裂, 工具消耗较大;
④穿孔挤压管材偏心度大, 特别是挤压管材的前端, 因此机台成品率较低;
⑤铸锭长度受限制, 一般难以对较长铸锭穿孔;
⑥设备精度、 工具制造和装配精度要求高。
4铝及铝合金管材分流模挤压法
分流模挤压法是采用一种特殊构造的挤压模, 在普通挤压机上用实心锭正常的挤压法生产铝及铝合金管材, 如图2-5所示。
图2-5 分流组合模结构
挤压时, 将金属锭装入挤压筒中, 在挤压轴的作用下, 先进行填充挤压, 迫使金属通过模孔流出, 获得所需管材。
?流模挤压法的主要特点是: 利用挤压轴把作用力传递给金属, 流动的金属进入模孔之前, 先被分成两股或两股以上的金属流,
然后在模子焊合室模膛重新组合, 金属在高温高压高真空条件下被焊合, 在流出模孔时即形成所需的管材。用分流模挤压法生产的管材,
在宏观组织上可以明显看到焊缝, 焊缝的数目等于金属锭被分成的金属流的数目。所以说管材上保留焊缝是分流模生产的主要特点。
那么, 如何保证焊缝品质呢?首先在模腔内建立一个超过变形金属屈服强度10~15倍的高压区, 严格控制模腔高度。每个料挤完,
用剪刀将挤压残料正常切掉, 把模腔内的残留金属清除干净。同时采用较高的挤压温度, 增大挤压系数, 尽量采用单孔挤压,
挤压速度不宜过快。二次挤压后的管材通过冷加工和热处理后, 焊缝发生原子间的相互扩散和再结晶, 在成品管材中焊缝基本消除。
用这种方法可在各种形式的挤压机上用实心铸锭获得任何形状的空心制品, 在软合金管材挤压时得到了特别广泛的应用。由于组合模的针杆非常短,
并能稳定的固定在模子中间, 因此可生产尺寸精度高、 壁厚薄、 内表面品质好、 形状复杂的空心制品。但操作技术要求较高。
2.1.2 铝及铝合金管材反向挤压法
反向挤压时, 金属制品的流动方向与挤压轴的运动方向模轴的相对运动方向相反的挤压方法, 叫做反向挤压法,
简称反挤压。在现有挤压机上实现反向挤压的方法主要有带堵头的挤压方法和采用双挤压轴的挤压方法两种。这两种反向挤压方法的工作示意图如图2-6所示。
采用双挤压轴挤压时, 先将挤压轴7退回原来位置, 并将挤压筒2也退回到最右边的位置, 从挤压筒的左边装入铸锭1,
而后再把挤压筒推到最左边的位置具体位置按铸锭长度来确定, 这时开动挤压机的主缸, 使挤压轴7向右前进开始挤压,
金属在挤压轴7的压力作用下, 从模孔4中沿着与空心反挤压轴5相反的方向流动。此时, 由于铸锭和挤压筒之间存在着很大的静摩擦力,
使挤压筒2随着铸锭1同时前进, 而在他们之间却无相对运动。
采用带堵头的反向挤压时, 先将挤压机上原来的挤压轴卸下, 装上堵头3,
并把装有挤压模的空心反挤压轴5固定在挤压机的压型嘴上。当把铸锭1装入挤压筒2时, 堵头3在挤压机主缸压力作用下,
推动挤压筒2铸锭1同时前进, 迫使金属从模孔4中沿着与空心反挤压轴5相反的方向流出而形成制品6。挤压过程结束后,
在挤压筒回程缸的推动下, 使挤压筒和堵头退回, 开动压型嘴, 把空心反挤压轴拉出, 用锯或专用剪刀将挤压残料切除后,
则可重?进行下一个铸锭的挤压操作。
现代反向挤压机均设有双挤压轴, 即挤压轴和模子挤压轴简称模轴。挤压时模子挤压轴固定不动,
挤压筒紧靠挤压轴。在主柱塞和挤压筒柱塞力的作用下, 挤压轴和挤压筒同步向前移动,
而模轴逐步进入挤压筒内进行反向挤压。反向挤压时铸锭表层与挤压筒内衬之间无相对运动, 从而改变了金属在挤压筒中流动的力学条件,
降低了变形的不均匀性和挤压力。由于金属流动均匀, 铸锭外表层会完全进入挤压制品表层。
反向挤压机充分考虑到挤压工艺和产品品质要求, 采用了专门设备和技术: 铸锭表面切削加工; 铸锭梯度?热和顺次排气;
模具的装配和挤压筒的清理; 管材生产时穿孔针拉力显示和保护; 挤压筒加热温度的均匀分布; 过程控制和控制系统PICOS;
穿孔针自动清理、 润滑和修针技术; 保证挤压中心精度; 残料分离技术等。
根据专用反挤压机设备结构的特点, 反向挤压机可分为中间框架式、 挤压筒剪切式和后拉式三种。中间框架式挤压机其特点是: 前梁和后梁固定,
通过4根张力柱连接成一个整体。在前梁和挤压筒移动梁之间安装有残料剪切用的活动框架,
剪刀设置在活动框架上。挤压筒清理是在残料推出时由专门的挤压环来完成, 这种型式的挤压机对固定模、 闷车铸锭的处理比较方便,
也易于兼作正向挤压机。挤压筒剪切式挤压机其特点是: 前横梁和后横梁固定, 通过4根张力柱连接成一个整体。在挤压筒移动梁上,
安装有残料剪切装置, 这种结构仅应用于反向挤压机。后拉式反向挤压机其特点是:
前梁和后梁是通过4根张力柱连成一个整体的活动梁框架。
反向挤压法的特点是: 铸锭与挤压筒之间无相对运动, 因而在铸锭表面和挤压筒之间不产生摩擦力, 变形区靠近模孔附近, 与正向挤压法比较,
大大地降低了所需的挤压力, 提高了挤压速度, 金属流动均匀, 制品组织和性能均匀, 可减少甚至消除粗晶环缺陷,
几何废料少等。由于金属流动均匀, 铸锭外表层会完全进入挤压制品的表面。因此, 为了保证产品的表面品质, 对铸锭的表面品质要求极严,
铸锭表面必须进行加工。目前, 生产时的空心铸锭均采用挤压加热前的车皮和镗孔工艺,
主要是考虑管材壁厚偏差要求。由于反向挤压使用了空心模子挤压轴考虑到其受压强度要求, 挤压制品的外径受到限制,
因此反向挤压制品的最大外径一般比正向挤压的小30%。
目前, 反向挤压管材多采用固定针无润滑工艺, 铸锭内表面直接与穿孔针相接触, 挤压过程中穿孔针表面会均匀粘满一层金属,
靠铝的自身润滑作用重新形成制品的内表面。只要保证铸锭内表面的清洁和光洁, 管材内表面一般接近穿孔挤压工艺的光亮内表面,
基本上不产生内表面擦伤废品, 但是生产时穿孔针所受到的摩擦力较大。因此, 当生产不同合金和规格的管材时,
穿孔针要进行强度校核。管材反向挤压时应考虑以下几个方面的技术和品质特性: 管材的壁厚不均, 表面气泡, 挤压中心即设备对中精确度,
挤压工具的强度和铸锭的品质等。
反向挤压法的主要优缺点是:
①挤压时, 铸锭与挤压筒之间无相对摩擦, 与正向相比可以降低挤压力20%~40%;
②制品尺寸精度高, 可采用长铸锭挤压;
③制品力学性能和组织均匀, 可有效消除和减小粗晶环缺陷;
④挤压速度提高1~1.5倍;
⑤残料减少30%以上;
⑥铸锭可在较低温度下挤压, 生产效率高, 产品成品率提高8%~10%, 节省能耗约20%;
⑦制品规格受模轴内径尺寸限制;
⑧设备结构复杂, 一次投资比正向挤压的高30%;
⑨铸锭表面要求高, 必须进行车皮、 镗孔或热剥皮;
⑩辅助时间长。
由于反向挤压具有以上特点, 所以特别适合挤压硬合金及尺寸精度高、 组织均匀、 且无粗晶环的制品。
2.1.3 铝及铝合金管材其他挤压法
铝及铝合金管材的其他挤压法有: 冷挤压法、 康福姆挤压法、 液体静压力挤压法、 侧向挤压法等;
1冷挤压法
冷挤压法是管材生产中应用很久的一种挤压法, 适应于生产中、 小规格的薄壁管材。
冷挤压铸锭或毛坯表面应涂上润滑油, 在室温条件下装入挤压筒, 有时为了降低挤压力,
对某些高强度的铝合金也可以将铸锭或坯料加热到100℃左右再装入挤压筒, 对于装饰用的型、 管材等,
可将铸锭和毛坯浸于过冷的液态溶液中以降低其温度到零下40~50℃, 再立即装入挤压筒。管材冷挤压时,
工模具需要承受比热挤压大得多的压力。由于剧烈的体积变形, 变形热留往会使模具的工作温度达到250~300℃。
冷挤压的主要特点是: 金属的不均匀变形大为减少, 金属变形仅发生于模空附近, 死角区基本消除, 因此产生成层、 粗晶环、
缩尾及其他缺陷的可能性大为减少。冷挤压管材通常采用润滑挤压, 常用的润滑剂有: 高分子再生醇的混合物、
双层润滑剂——鲸油和硬脂酸纳水溶液、 等等。
采用冷挤压法生产的管材尺寸精度高、 挤压速度快、 制品表面品质高、 生产周期短、 投资少、
成品率可达70%~85%。但冷挤压制品没有挤压效应, 铸锭或坯料的表面品质要求高, 对工模具材料要求高, 工具损耗大。
2康福姆挤压法
康福姆挤压法是20世纪70年代初研制的一种合金连续挤压法, 适用于生产小直径薄壁长管。
康福姆挤压法主要特点是: 利用送料辊和坯料之间的接触摩擦力而产生挤压力并同时将坯料温度提高到500℃左右。迫使毛坯沿着模槽方向前进,
然后进入模具。康福姆挤压法有单辊送料和双辊送料两种方法。
采用康福姆挤压法可一次生产出尺寸小薄壁的管材, 成品率高可达到98.5%, 毛料无需加热, 设备造价低, 可连续生产,
生产效率高; 但生产的规格, 品种受到限制。
3侧向挤压
金属制品的流出方向与挤压轴的运动方向垂直的挤压叫做侧向挤压,
如图2-7所示。侧向挤压主要用于电线电缆行业各种复合导线的成形以及一些特殊的包覆材料成形。
4液体静压挤压法
液体静压挤压法又称高压液体挤压。
挤压时, 锭坯借助于周围的高压液体的压力由模孔中挤压出来, 以实现塑性变形, 如图2-8所示。挤压一般是在常温下进行的,
但是在一定温度下甚至高温下也可进行静压力挤压。高压液的压力可以直接用一个填压器将液体压入挤压筒中,
或用挤压轴压缩挤压筒内的液体获得挤压力, 这种方法应用较广。
液体静压力挤压法的主要特点与润滑挤压基本相同, 只是筒内的液体在挤压轴的作用下产生压力, 实现金属变形。
液体静压力挤压法是锭坯与挤压筒内壁不直接接触, 无摩擦, 金属变形均匀, 产品品质比较好。锭坯与模子间处于流体动力润滑状态,
模子磨损少; 制品的力学性能在断面上都很均匀; 液体静压力挤压法所需的挤压力比正挤压小20%~40%; 可实现高速挤压。但在高压下,
挤压轴与模子的密封材料要求较高; 挤压工具材料贵与设计较复杂; 传压介质液体的选用较困难。
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