7075鋁合金擠壓方棒表面缺陷的產生原因及預防措施

韋祖祥，何建賢，周 偉，覃耀霖，王玉文，楊顯芳，莫肇月

（1.廣西南南鋁加工有限公司，南寧 530031；2.廣西鋁合金材料與加工重點實驗室，南寧 530031）

0 前言

7075鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，具有良好的機械性能、耐磨性能以及抗腐蝕性能，是航空航天設備的主要結構材料，廣泛應用于飛機結構及其他要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構件以及模具制造等工業領域[1]。7075鋁合金擠壓方棒應用范圍較廣，市場需求量較大。但由于7075鋁合金具有較高的變形抗力，塑性變形能力較差，在擠壓加工過程中容易產生多種缺陷，其中以麻面和氣泡尤為常見。此時對7075鋁合金擠壓方棒表面進行打磨或拉絲雖然可以消除麻面和氣泡，但制品經陽極氧化處理后，其打磨處理區域與正常擠壓原始表面會有色差產生，造成產品表面質量缺陷。因此，為了提高產品表面質量，減少廢品的產生，針對7075鋁合金擠壓方棒表面麻面和氣泡這2種主要缺陷的成因進行了分析，并提出了相應的預防措施。

1 麻面產生的原因及預防措施

1.1 麻面缺陷的形貌

7075鋁合金擠壓方棒麻面屬于擠壓產品的表面缺陷，是指制品表面呈細小的凹凸不平的連續片狀、點狀的擦傷、麻點、“金屬豆”等缺陷。當這些缺陷在制品表面大面積出現時，便形成麻面缺陷[2]，如圖1所示。

圖1 7075鋁合金擠壓方棒表面麻面示意圖

1.2 麻面缺陷的產生原因

（1）鑄錠中存在粗大化合物相。高合金化的7075鋁合金材料在熔煉鑄造過程中產生粗大初生化合物相，即使是采用目前使用最多的圓錠熱頂鑄造方法，也無法完全消除。粗大初生相的產生與熔鑄工藝參數有關。粗大初生相在經過均勻化退火后，仍有部分存在于基體中無法消除[3]。在擠壓過程中，粗大化合物相與擠壓模具工作帶產生劇烈摩擦，由于粗大化合物相與鋁基體的硬度和粘度不同，化合物相與模具工作帶摩擦的部位被擠出模具后，在制品表面便會出現麻面缺陷，導致表面質量明顯降低。

（2）擠壓工藝參數不合理。7075鋁合金屬于超硬鋁合金，擠壓變形困難。過高的擠壓溫度和擠壓速度會導致制品表面出現大量麻面，不利于表面質量控制；而擠壓溫度過低，則會增加擠壓難度，甚至無法擠壓出料。擠壓過程中鑄錠與擠壓筒以及金屬鋁與模具工作帶的摩擦都會產生大量的熱量，這些熱量將直接傳導至模具、擠壓筒和制品，對制品表面質量產生很大影響。擠壓筒溫度、模具溫度以及鑄錠溫度過高都會增加筒內壁和工作帶與鋁型材的摩擦，增加了金屬鋁與其他金屬（鐵）的粘性，致使粘鋁大量附著在模具工作帶周圍。隨著粘鋁大量積累，最終被型材帶出并附著在制品表面形成麻面缺陷。

（3）模具工作帶強度不足，模具設計不合理。模具工作帶表面硬度一般只能達到55～60 HRC，模具工作帶硬度不足或粗糙度高會導致粘鋁增多，設計過長也會增加金屬鋁的摩擦阻力，從而加劇粘鋁的增多。擠壓過程中原本平行的工作帶受到強大壓力而呈喇叭口狀，當粘鋁積累到一定程度后被擠壓帶出并粘附在制品表面，從而產生表面麻面缺陷。7075鋁合金擠壓方棒模具R角處附近的鋁流容易受阻，金屬鋁與模具導流腔的接觸面積大，受到的摩擦阻力較大，導致R角處摩擦升溫高，因此麻面常出現在制品R角至距離邊部四分之一的部位。

1.3 預防麻面的措施

（1）嚴格控制化學成分。7075鋁合金的成分設計及元素含量配比直接影響材料的鑄錠組織、力學性能和抗腐蝕性能等指標。當鑄錠組織中產生粗大初生化合物相時，擠壓制品表面則會形成麻面。因此，需要嚴格控制7075鋁合金中各合金元素的占比，優化各元素的含量配比。Fe、Si雜質元素的存在對材料的流塑性、力學性能等產生不利影響，降低其含量可以有效降低雜質相的不利影響；Cu會降低合金電位差，但適量的Cu能明顯降低由Zn抬高的電位，使點腐蝕轉變為均勻腐蝕，而過量的Cu會降低材料陽極氧化色澤度，不利于制品的氧化性能；降低Mn含量可有效避免粗大Al6Mn相的形成；Zn與Mg、Al結合形成強化相η（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3），但是過量的Zn會增加鑄造開裂傾向；Mg元素除了能形成η、T相外，還能與Si形成Mg2Si相，對性能提升有利；Cr可抑制再結晶、細化鑄造組織晶粒。在合金成分設計上，應適當降低Mn、Cu、Cr元素占比。7075鋁合金擠壓方棒化學成分設計如表1所示。

表1 7075鋁合金擠壓方棒的化學成分（質量分數/%）

（2）合理提高鑄造冷卻強度。在圓錠鑄造過程中，隨著冷卻強度的增加，過冷度增加，鑄錠結晶速率提高，熔體中的溶質元素來不及擴散，使晶核增多，因而所得晶粒細小，同時過渡帶尺寸縮小，鑄錠致密度提高，減少熔煉鑄造過程易導致產生粗大初生化合物相傾向[3]。但隨著冷卻強度的進一步提高，鑄錠內外層溫差較大，鑄錠中的熱應力相應提高，使鑄錠產生裂紋傾向增大，同時，冷卻不均造成的鑄錠各部分收縮不一致也會引起鑄錠開裂，導致鑄造失敗。因此，在避免出現鑄造開裂的情況下，需要探索出合理的鑄造工藝以減少鑄錠中粗大初生化合物的產生。在實際生產中，由于鑄錠直徑不同，冷卻水量需根據實際情況進行調整。當圓鑄錠直徑范圍為380~462 mm時，每鑄次的鑄錠根數范圍為14~21根，鑄造冷卻水流量應控制在10~18 m3/h；當圓鑄錠直徑范圍在463~582 mm時，每鑄次的鑄錠根數范圍為4~10根，鑄造冷卻水流量應控制在18~25 m3/h，以獲得具有細小晶粒尺寸的鑄錠。

（3）采用雙級均勻化熱處理工藝。鑄錠均勻化退火是在高溫狀態下通過擴散方式，消除或減小實際凝固條件下晶內成分不均和偏離于平衡組織狀態的一種熱處理工藝，其目的是使鑄錠中的不平衡共晶組織在基體中分布均勻，過飽和固溶體元素從固溶體中析出，使鑄錠組織成分更均勻[4]。同時，消除鑄造應力可提高鑄錠塑性，減小變形抗力，從而有助于材料后續的擠壓加工成型，避免擠壓加工時因變形抗力過大而導致產品表面出現麻面。7075鋁合金鑄錠中存在高溫相和低溫相兩種具有不同相變溫度的相組織，應采用雙級均勻化熱處理工藝：第一階段保溫溫度（440±5）℃，保溫時間2～4 h，使低溫相充分析出，達到增加鑄錠塑性的效果，有利于后續的擠壓成型；第二階段保溫溫度（470±5）℃，保溫42～48 h。通過上述雙級均勻化熱處理后，可充分將鑄錠中的高溫相和低溫相析出，保溫結束后強風冷卻，鑄錠組織中的粗大初生相明顯減少。

（4）合理設置擠壓工藝參數。擠壓過程參數對制品的表面性能和內部組織，包括晶粒尺寸、組織均勻性等都會有較大的影響，因此必須協調各參數之間的匹配才能穩定控制制品質量。生產7075鋁合金擠壓方棒時，推薦工藝參數如下：鑄錠預熱溫度380~400℃，溫度梯度10~25℃，擠壓筒溫度400~430℃，擠壓速度0.5~1.0 m/min。實際的擠壓工藝參數應根據不同設備及工況而定。

（5）增強模具工作帶強度，優化模具設計。對模具工作帶進行氮化處理和激光處理可以使其硬度、耐磨性、摩擦性能大大提高。模具工作帶的強化處理一般有氮化處理、激光處理、激光+氮化處理和氮化+激光處理這4種。這4種工藝處理后的工作帶邊部組織形貌分別如圖2所示。從這4種強化處理結果來看，第四種處理方式即模具工作帶進行氮化+激光處理效果最佳，工作帶表面硬度可達65～69 HRC，淬硬層深度可達2.5 mm。而采用前三種方式處理的工作帶硬度僅為55～60 HRC，淬硬層深度僅為0.5～1.0 mm。結果表明，模具工作帶進行氮化+激光處理的效果明顯優于前三種強化處理方式。模具工作帶硬度的提高可降低金屬鋁與模具工作帶的摩擦系數，避免在擠壓生產過程中因摩擦產生高溫而引起型材表面出現麻面。同時，模具工作帶強度的增加還為工作帶的減短創造了條件。由于工作帶強度得到加強，工作帶在擠壓過程中不易出現彈變現象，可適當減短模具工作帶長度，減少摩擦，從而降低金屬鋁在通過模具工作帶時產生的摩擦熱量。隨著模具工作帶強度的強化及其長度的減短，擠壓制品的表面質量和擠壓生產速度得到大大提升。

圖2 四種強化處理后工作帶邊部的組織形貌

模具設計方式直接影響到鑄錠在擠壓過程中金屬的流動方式以及金屬在模具中流動的均勻性。擠壓過程中鑄錠中心部位金屬流動速度比邊部的快，因此對工作帶長度的設計應綜合考慮金屬流速問題，適當減短模具R角附近的導流槽深度和工作帶長度，減少金屬鋁流的阻力。同時制品中間部位的工作帶長度要長于邊部，使金屬流速均勻，解決因流速過快導致的局部升溫問題，從而避免麻面產生。

2 氣泡產生的原因及預防措施

2.1 氣泡缺陷的形貌

局部表皮金屬與基體金屬呈連續或非連續分離，表現為圓形單個或條狀空腔凸起的缺陷，稱為氣泡[2]。7075鋁合金擠壓方棒在擠壓過程中，在棒材表面尤其是R角附近容易出現表面氣泡，通常單個氣泡直徑較小，氣泡呈連續長條分布，如圖3所示。

圖3 7075鋁合金擠壓方棒表面氣泡示意圖

2.2 氣泡缺陷產生原因

因鑄錠直徑小于擠壓筒直徑導致擠壓填充階段無法完全排氣時，氣體會隨著變形金屬表層沿彈性區流出從而造成制品表面氣泡缺陷。制品表面氣泡通常是由于鑄錠內部組織有疏松、氣孔、內裂等缺陷，或擠壓填充階段因擠壓速度太快，排氣不好，將空氣卷入金屬中所造成的。當鑄錠長度與鑄錠直徑之比大于4~5時，填充時會產生雙鼓變形，在擠壓筒的中部產生一個封閉空間，隨著填充的進行，此空間體積減少，氣體壓力增大而進入鑄錠表面的微裂紋中，也會在制品表面形成氣泡[1-2]。

2.3 預防氣泡缺陷的措施

（1）提高精煉除氣和鑄造水平。熔體的精煉質量直接影響到澆鑄后鑄錠的組織質量，鋁合金在熔煉過程中易于吸氣和氧化，在熔體中不同程度地存在氣體和非金屬夾雜物，使鑄錠產生疏松、氣孔、夾雜等缺陷。生產中，對熔煉溫度、熔煉時間進行控制，保證各種原材都已完全溶解、充分混合均勻，熔煉后對熔體進行精煉，去除熔體中的氣體，使熔體氫含量低于0.09 mL/100g?Al，可獲得潔凈均衡的鋁熔體。在隨后的鑄造過程中，適當提高鑄造冷卻速率、適當降低鑄造速度可減少鑄錠中心疏松傾向。通過提高熔體精煉和鑄造工藝，可提高鑄錠質量，從而減少氣泡缺陷。

（2）調整擠壓工藝參數。擠壓填充階段，加大鑄錠墩粗壓力，增加排氣次數：當制品表面出現氣泡時，可適當增加2~3次排氣次數，盡量將擠壓筒內殘留氣體完全排出，同時將擠壓桿速調至最低，突破后再提速擠壓；選擇長度與直徑之比小于4的鑄錠，避免因鑄錠過長而導致墩粗后呈鼓形；采用梯度加熱法對鑄錠進行加熱，鑄錠頭端溫度380～400℃，溫度梯度10～25℃，使所設置的鑄錠頭端溫度高于尾部。這樣在擠壓填充時頭端先變形填充，可將氣體由尾端排出；當擠壓筒內襯破損嚴重時，要及時更換擠壓筒內襯，避免氣體殘留在擠壓筒中破損位置無法排出。通過調整擠壓工藝參數，將殘余氣體及時排出擠壓筒外，可減少制品表面氣泡缺陷。

3 結論

通過分析7075鋁合金擠壓方棒的表面麻面和氣泡缺陷產生的原因，提出預防這兩種缺陷產生的措施。

（1）產生麻面缺陷的主要原因有鑄錠中存在粗大化合物相、擠壓工藝參數不合理、模具工作帶強度不足、模具設計不合理等。

（2）產生氣泡缺陷的主要原因有鑄錠直徑和長度選擇不合理、鑄錠內部組織有疏松、氣孔、內裂等缺陷。

（3）優化合金成分設計，控制Cu、Mg、Cr、Zn元素的占比，盡可能減少Fe、Si的元素含量。

（4）提高精煉除氣和鑄造水平，可減少鑄錠疏松、氣孔等缺陷；選擇長度與直徑之比小于4的鑄錠，冷卻水流量控制在10~25 m3/h；對鑄錠采用雙級均勻化熱處理工藝，鑄錠保溫結束后強風冷卻。

（5）根據具體情況調整擠壓工藝參數，鑄錠預熱溫度380~400℃，溫度梯度10~25℃，擠壓筒溫度400~430℃，擠壓速度0.5~1.0 m/min，增加墩粗壓力和排氣次數，慢速突破。

（6）優化模具設計方式，適當減短導流槽深度，對模具工作帶進行強化處理，提高硬度、耐磨性、熱穩定性。