鈹鋁合金擠壓成形技術(shù)研究

劉兆剛，王維一，謝 垚，王戰(zhàn)宏，李 峰，買學(xué)峰，于 偉

（1.西北稀有金屬材料研究院寧夏特種金屬材料實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000；2.中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

鈹鋁合金擠壓成形技術(shù)研究

劉兆剛1，2，王維一1，謝 垚1，王戰(zhàn)宏1，李 峰1，買學(xué)峰1，于 偉1

（1.西北稀有金屬材料研究院寧夏特種金屬材料實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000；2.中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

文章研究了鈹鋁合金擠壓成形技術(shù)，分析了擠壓成形的影響因素，并觀測(cè)了擠壓組織微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)試了鈹鋁合金擠壓力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，鈹鋁合金鑄錠經(jīng)過(guò)熱擠壓成形之后，力學(xué)性能有明顯改善。但由于影響因素較多，較難獲得理想的擠壓工藝。

鈹鋁合金；擠壓成形工藝；擠壓比；力學(xué)性能

鈹鋁合金作為一種年輕的輕合金，具有質(zhì)量輕（典型洛克合金密度為2.1 g／cm3）、比強(qiáng)度高、比剛度高、熱穩(wěn)定性好、高韌性、高模量、抗腐蝕性好等特點(diǎn)，結(jié)合了鈹?shù)牡兔芏扰c鋁的易加工性和高韌性等許多優(yōu)良特性，應(yīng)用廣泛，是一種重要的新型輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料［1～4］。美國(guó)的鈹鋁合金主要有精密鑄造、粉末冶金、擠壓成形三種成形工藝，國(guó)內(nèi)前兩種工藝研究較多，擠壓成形工藝則開展較少。由于擠壓成形能夠大幅度提高合金的力學(xué)性能，因此本文結(jié)合擠壓試驗(yàn)探索了鈹鋁合金擠壓成形工藝，以期對(duì)鈹鋁合金的生產(chǎn)工藝發(fā)展和力學(xué)性能提供參考。

1 鈹鋁合金擠壓成形技術(shù)特點(diǎn)

與精密鑄造和粉末冶金工藝生產(chǎn)鈹鋁合金相比，通過(guò)擠壓成形工藝生產(chǎn)鈹鋁合金具有以下的特點(diǎn)。

1.1 提高鈹鋁合金的變形能力

金屬在擠壓變形區(qū)中處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以充分發(fā)揮金屬的塑性，獲得大變形量。對(duì)于脆性、塑性差的鈹鋁合金，通過(guò)擠壓加工生產(chǎn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)大變形量加工，獲得較其它工藝相比性能良好的材料。

1.2 制品綜合質(zhì)量高

擠壓變形可以改善金屬材料的組織，提高其力學(xué)性能，特別是對(duì)于一些具有擠壓效應(yīng)的鋁合金，其擠壓制品在淬火時(shí)效后，縱向（沿?cái)D壓方向）力學(xué)性能遠(yuǎn)高于其它加工方法生產(chǎn)的同類產(chǎn)品。這在鈹鋁擠壓試驗(yàn)中得到證實(shí)。

1.3 生產(chǎn)產(chǎn)品范圍廣

擠壓加工不但可以生產(chǎn)斷面形狀簡(jiǎn)單的管、棒、線材，而且還可以生產(chǎn)斷面形狀非常復(fù)雜的實(shí)心和空心型材、制品斷面沿長(zhǎng)度方向分階段變化的和逐漸變化的變斷面型材。這對(duì)于一些特定用途的異形鈹鋁件的生產(chǎn)，具有很重要的意義。

1.4 生產(chǎn)靈活性大

擠壓加工具有很大的靈活性，只需更換模具就可以在同一臺(tái)設(shè)備上生產(chǎn)形狀、尺寸規(guī)格和品種不同的產(chǎn)品。且更換模具的操作簡(jiǎn)單方便、費(fèi)時(shí)少、效率高。適合于鈹鋁合金材料的多品種、多規(guī)格、小批量的生產(chǎn)。

1.5 工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少

相對(duì)于穿孔軋制、孔型軋制等管材與型材生產(chǎn)工藝以及精密鑄造工藝，擠壓生產(chǎn)具有工藝流程短、設(shè)備數(shù)量與投資少等優(yōu)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)方法和工藝流程

2.1 試驗(yàn)方法

鈹鋁合金擠壓試驗(yàn)采用的是熱擠壓技術(shù)，所用坯料是100 kg真空中頻感應(yīng)爐熔鑄得到的二次熔煉鑄錠，化學(xué)成分：Be 62%＋Al 38%，添加微量元素銀、鈷、鍺等。鑄錠尺寸約Φ160×250mm，切除錠頭，機(jī)械加工去皮到Φ150×200mm；鑄錠坯料外包鋼包套，厚度2～6mm。由于鈹鋁合金的低溫變形能力較差，擠壓前在450～550℃溫度保溫時(shí)間3 h，因此在熱擠壓前退火錠在350℃保溫3 h，模具在450～480℃下保溫3 h，擠壓溫度450～550℃；擠壓速度15～30mm／s，突破力約12 MPa。試驗(yàn)用擠壓設(shè)備室是太重1 630 T擠壓機(jī)，擠壓棒材最終尺寸Φ85×500mm。

2.2 熱擠壓成形工藝流程

熱擠壓工藝的關(guān)鍵是確定坯料制備、熱處理溫度、保溫時(shí)間和擠壓速度等各項(xiàng)工藝參數(shù)。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 熱擠壓成形工藝流程

3 鈹鋁合金擠壓成形影響因素

3.1 坯料鑄錠質(zhì)量

擠壓用坯料鑄錠的質(zhì)量直接影響擠壓成形的成敗。鑄錠坯料存在縮孔、疏松、氣孔、裂紋、偏析、夾雜等各種缺陷，鑄錠組織均勻性差和中心部不致密降低了合金的塑性和強(qiáng)度。在擠壓三向壓應(yīng)力作用下，鑄錠容易沿晶界產(chǎn)生裂紋影響擠壓產(chǎn)品質(zhì)量。

提高鈹鋁合金鑄錠質(zhì)量采取調(diào)整合金化學(xué)成分，改善金屬液流動(dòng)性，降低氧含量及雜質(zhì)含量，降低澆注時(shí)的溫度等措施。

3.2 包套材質(zhì)影響

包套能顯著提高金屬的變形能力，可使包套內(nèi)部的金屬保持較高的溫度，特別適合難變形、低塑性的鈹鋁合金的擠壓加工。同時(shí)，包套能防止坯料預(yù)熱和保溫過(guò)程中的氧化問(wèn)題。

目前，工業(yè)上常用包套為不銹鋼包套，但在試驗(yàn)過(guò)程中，不銹鋼包套和鈹鋁鑄錠坯料強(qiáng)度不匹配，突破力過(guò)大導(dǎo)致包套拉裂。下一步擬采取1011、6062 和2024三種不同強(qiáng)度和塑性的鋁合金做為包套材料重新進(jìn)行試驗(yàn)，獲得擠壓變形過(guò)程中與坯料的強(qiáng)度匹配較好的包套，使坯料變形均勻穩(wěn)定，應(yīng)力變化均勻。

3.3 熱處理工藝

熱處理工藝包括加熱溫度和保溫時(shí)間。

對(duì)擠壓成形工藝來(lái)說(shuō)，擠壓溫度是最基本的且最關(guān)鍵的工藝因素。擠壓溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具壽命、能量消耗等都產(chǎn)生很大影響。加熱溫度過(guò)高，容易造成坯料過(guò)燒，晶粒長(zhǎng)大，合金強(qiáng)度嚴(yán)重下降，變形過(guò)程產(chǎn)生裂紋。

鈹鋁合金鑄錠加熱溫度一般都設(shè)定在450～580℃的溫度范圍內(nèi)，加熱保溫的時(shí)間只要保證材料加熱均勻即可，采用快速加熱并減少保溫時(shí)間可以大大減少晶粒長(zhǎng)大的時(shí)間。其擠壓溫度在操作時(shí)視不同制品及單位壓力大小來(lái)調(diào)整。在擠壓過(guò)程中鑄錠在變形區(qū)的溫度是變化的，隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，擠壓變形區(qū)的溫度逐漸升高，而且隨著擠壓速度的提高而提高。因此為了防止出現(xiàn)擠壓裂紋，隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行和變形區(qū)溫度的升高，擠壓速度應(yīng)逐漸降低。

3.4 擠壓速度

擠壓速度是擠壓技術(shù)的關(guān)鍵因素。擠壓速度對(duì)變形熱效應(yīng)、變形均勻性、再結(jié)晶和固溶過(guò)程、制品力學(xué)性能及制品表面質(zhì)量均有重要影響。

擠壓速度過(guò)快，制品表面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)、裂紋、斷裂等傾向。同時(shí)擠壓速度過(guò)快增加了金屬變形的不均勻性。擠壓時(shí)的流出速度取決于合金種類和型材的幾何形狀、尺寸和表面狀況。鈹鋁合金棒材擠壓速度（金屬的流出速度）可選為10～20mm／s。

近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，擠壓速度可以實(shí)現(xiàn)程序控制或模擬程序控制，同時(shí)也發(fā)展了等溫?cái)D壓工藝和CADEX等新技術(shù)。通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)擠壓速度來(lái)使變形區(qū)的溫度保持在某一恒定范圍內(nèi)，可達(dá)到快速擠壓而不產(chǎn)生裂紋的目的。

據(jù)報(bào)道，在國(guó)外用氮?dú)饣蛞旱鋮s模具（擠壓模）以增加擠壓速度，提高模具壽命和改善型材表面質(zhì)量。在擠壓過(guò)程中將氮?dú)庖綌D壓模出口處放出，使被冷卻的制品急速收縮，冷卻擠壓模和變形區(qū)金屬，減少了鋁的氧化，減少了氧化鋁粘接和堆積，所以氮?dú)獾睦鋮s提高了制品的表面質(zhì)量和擠壓速度［5］。

3.5 擠壓比

擠壓比是擠壓生產(chǎn)中表示合金變形量大小的參數(shù)，也叫擠壓系數(shù)，表示擠壓前的制品的總橫斷面積與擠壓后的制品的總橫斷面積之比。擠壓比的選擇與合金種類、擠壓方法、產(chǎn)品性能、擠壓機(jī)能力、擠壓筒內(nèi)徑及錠坯長(zhǎng)度等因素有關(guān)。當(dāng)擠壓比增大時(shí)，其它條件相同，金屬流出?？椎睦щy程度會(huì)增大，擠壓力也增大；擠壓比增大，擠壓時(shí)錠坯外層金屬向?？琢鲃?dòng)的阻力也增大，因此使內(nèi)外部金屬流動(dòng)速度差增大，變形不均勻。

當(dāng)擠壓比增加到一定程度后，剪切變形深入到內(nèi)部，變形開始向均勻方向轉(zhuǎn)化。研究證明，當(dāng)擠壓變形程度達(dá)到85%～90%時(shí)，擠壓金屬流動(dòng)均勻，制品內(nèi)外層的力學(xué)性能也趨于均勻。如果擠壓比過(guò)大，擠壓機(jī)會(huì)因擠壓力過(guò)大而發(fā)生“悶車”，使擠壓過(guò)程不能正常進(jìn)行，甚至損壞模具，影響生產(chǎn)率。如果該值選用過(guò)小，擠壓設(shè)備的能力不能得到充分利用，也不利于獲得組織和性能均勻的制品。由于鈹鋁合金是脆性材料，試驗(yàn)中采用小的擠壓比，鈹鋁合金的擠壓比約為2～3左右，根據(jù)合金成分的變化進(jìn)行后續(xù)的調(diào)整。

3.6 潤(rùn)滑劑影響

采用擠壓潤(rùn)滑工藝，可減少擠壓材與擠壓缸及?？组g的摩擦力，會(huì)使金屬流動(dòng)的不均勻性減輕，從而可以防止或減輕這種裂紋的產(chǎn)生，尤其可以防止擠壓過(guò)程中鑄錠頭開裂或呈現(xiàn)竹節(jié)式斷裂。應(yīng)當(dāng)指出，采用潤(rùn)滑劑不僅可以防止材料斷裂，還可以降低擠壓力。在靜液擠壓中，擠壓腔內(nèi)的液體起到潤(rùn)滑劑作用。實(shí)際生產(chǎn)中大部分的擠壓過(guò)程中必須施加潤(rùn)滑，然而由于模具－工件的界面之間都是光面，且配合良好，所以過(guò)量潤(rùn)滑對(duì)產(chǎn)品的表面光潔度不利，但是對(duì)擠壓生產(chǎn)的順利實(shí)施是有利的。

熱擠壓是指在一定溫度下用模具對(duì)預(yù)先放入模腔中的金屬坯料加壓使其產(chǎn)生塑性變形，并使坯料變成所需形狀和尺寸及具有—定性能的零件的加工方法。由于工件材料有高的室溫強(qiáng)度，因而模具中的應(yīng)力很高，所以熱擠壓潤(rùn)滑要求較高。目前，鈹鋁合金擠壓過(guò)程采用的是二硫化鉬、石墨粉和機(jī)油組成的混合物作為潤(rùn)滑劑，效果良好。

4 鈹鋁合金擠壓結(jié)果簡(jiǎn)單分析

鈹鋁合金是一種鈹基鋁合金復(fù)合材料，在這個(gè)鈹鋁二元系相圖中，只包含一個(gè)簡(jiǎn)單的共晶體，含鈹約2.4%的共晶相在645℃時(shí)發(fā)生相變，沒(méi)有任何化合物生成，鈹和鋁幾乎完全不互溶。合金中相尺寸與兩相分離的形態(tài)取決于凝固速率和加工歷史。這是一種假合金。

4.1 擠壓試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)條件下，初步擠壓結(jié)果如圖2所示，圖2（a）是擠壓棒材宏觀照片，呈現(xiàn)竹節(jié)式斷裂；圖2 （b）是棒頭照片，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖2 擠壓態(tài)鈹鋁合金

4.2 金相觀測(cè)

在該擠壓實(shí)驗(yàn)條件下，由于凝固過(guò)程中過(guò)冷度較高、冷卻速度快，對(duì)于鈹鋁合金而言不利于樹枝晶的長(zhǎng)大發(fā)育。因此可以觀察到在合金錠的凝固組織下部有少量激冷晶和柱狀晶組織，而中間則是大量的等軸晶晶粒，合金錠縱切面的上部則是少量的較細(xì)的等軸晶組織。在做金相分析時(shí)，只以中間的等軸晶組織為分析對(duì)象，小心回避柱狀晶和激冷晶部分。

鈹鋁合金的金相照片如圖3所示，圖3（a）是擠壓前鑄態(tài)組織金相，圖3（b）是擠壓態(tài)的組織金相，從圖3（b）可以看出，鈹鋁合金經(jīng)過(guò)擠壓成形，晶粒產(chǎn)生變形，由等軸晶變形沿?cái)D壓方向的長(zhǎng)條狀晶體，黑色的棒狀顆粒是鈹，白色相是鋁，白色相包裹著黑色相。鋁伴隨著熱塑性加工－熱擠壓，鈹鋁合金中經(jīng)過(guò)大變形形成的平行纖維變形組織在擠壓應(yīng)力和擠壓熱的作用下，首先沿晶界形成亞晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)亞晶合并機(jī)制形成較大尺寸的大角度亞晶；隨后通過(guò)晶界遷移，亞晶進(jìn)一步合并和轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，最終形成細(xì)小的大角度晶粒。

圖3 鈹鋁合金的金相照片

4.3 力學(xué)性能測(cè)試

初步試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試力學(xué)性能如下：表1是鑄態(tài)鈹鋁合金的力學(xué)性能，表2是擠壓狀態(tài)鈹鋁合金的力學(xué)性能?？梢钥闯?，材料經(jīng)過(guò)擠壓之后的力學(xué)性能比鑄態(tài)提高較多。表1中鑄態(tài)力學(xué)性能σb和σ0.2與表2中橫向力性JYH－1＃、JYH－2＃相近，擠壓態(tài)樣品σb較高，鑄態(tài)彈性模量E是擠壓態(tài)彈性模量E的兩倍。從表2可以看出，擠壓縱向（沿?cái)D壓方向）樣品JYZ－1＃、2＃的力學(xué)性能最好，抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ明顯提高，屈服強(qiáng)度σ0.2變化不大；對(duì)擠壓縱向樣品做450℃退火熱處理，性能變化體現(xiàn)在σb稍微降低，延伸率下降很多。

表1 鑄態(tài)鈹鋁合金力學(xué)性能

表2 鈹鋁合金擠壓態(tài)力學(xué)性能

初步得出結(jié)論，鈹鋁合金鑄錠經(jīng)過(guò)熱擠壓成形之后，沿?cái)D壓方向的力學(xué)性能有明顯改善，抗拉強(qiáng)度和延伸率有明顯提高。但是存在彈性模量明顯下降現(xiàn)象，延伸率改善不明顯，退火熱處理之后延伸率不應(yīng)該降低，這些現(xiàn)象背后的機(jī)理都需要進(jìn)一步深入研究。

5 總結(jié)和展望

綜上所述，雖然鈹鋁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用在我國(guó)開展較晚，但是作為一種重要的輕合金材料，發(fā)展鈹鋁合金是很有必要的，尤其是擠壓成形鈹鋁合金，對(duì)于填補(bǔ)我國(guó)與美國(guó)之間的技術(shù)空白，具有重要意義。經(jīng)過(guò)擠壓后，鈹鋁合金的力學(xué)性能有所改善。但鈹鋁合金擠壓工藝復(fù)雜，涉及到的影響因素較多，因此該研究中出現(xiàn)了擠壓材料頭部開裂和竹節(jié)式斷裂現(xiàn)象，這也提醒技術(shù)人員，鈹鋁合金擠壓工藝的探索實(shí)踐需要反復(fù)嘗試和不斷創(chuàng)新才能成功。在以后的擠壓技術(shù)研究中應(yīng)做好以下幾方面工作：

1.優(yōu)化鈹鋁合金的化學(xué)成分，提高鑄錠質(zhì)量并進(jìn)行勻勻化或半均勻化處理。

2.提高鈹鋁合金擠壓技術(shù)理論水平，加強(qiáng)塑性變形機(jī)理研究，控制擠壓產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)。

3.繼續(xù)研究鈹鋁合金擠壓技術(shù)，不斷總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化科學(xué)合理的擠壓生產(chǎn)工藝。

4.引入計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，使模擬和試驗(yàn)相互驗(yàn)證，如ansys模擬三向擠壓應(yīng)力作用于鈹鋁合金擠壓過(guò)程中的塑性變形和受力情況。

［1］William S.Application of aluminum-beryllium composite for structural aerospace component［J］.Engineering Failure Analysis，2004，11（6）：895.

［2］Roskill Information Services Ltd.The Economics of Beryllium［M］. London：Roskill Information Services Ltd，2001.111－119.

［3］李生智.金屬壓力加工概論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.153.

［4］Anon S.Be-Al alloy show promise for spacecraft component［J］. J Fail Anal Prev，2004，4（2）：31.

［5］李宗耀，范婧亞.鋁合金擠壓模液氮冷卻技術(shù)的開發(fā)方向［J］.輕合金加工技術(shù)，1996，24（12）：35－38.

Study on Extrusion Forming Technology of Beryllium-aluminum Metal

LIU Zhao-gang1，2，WANG Wei-yi1，XIE Yao1，WANG Zhan-hong1，LI Feng1，MAI Xue-feng1，YU Wei1
（1.Key Laboratory for Rare Materials，Ningxia Province，Northwest Rare Metal Materials Research Institute，Shizuishan 753000，China；2.State Key Lab for Powder Metallurgy，Central South University，Changsha 410083，China）

In this paper，the technology for extrusion molding of beryllium-aluminum alloy was discussed；the influence factors in extrusion were analyzed；The microstructure of the extruded beryllium-aluminum alloy was observed by metallograph，and mechanical properties of the extruded alloy was tested too.The results showed that after extrusion，the mechanical performance of beryllium-aluminum alloy was improved，but ideal extrusion process was hard to achieve because of enormous complexity.

beryllium-aluminium alloy；extrusion forming；extrusion ratio；mechanic property

TG306

A

1003－5540（2015）02－0049－05

2014－11－20

劉兆剛（1981－），男，工程師，在讀博士，主要從事稀有金屬鈹及鈹合金的研究。