王 燕，劉俊義

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

鋁合金在擠壓過程中，外力使鋁擠壓產(chǎn)品宏觀上變形，微觀上鋁合金內部分子激烈運動，釋放出大量擠壓熱。在外力作用下，鋁產(chǎn)品與模具之間不斷摩擦，產(chǎn)生摩擦熱。擠壓熱和摩擦熱向模具傳導，模具溫度會不斷升高。如果溫度過高，會造成模具變形甚至損壞，以及模具表面所帶的金屬越來越多，從而導致產(chǎn)品質量不良或產(chǎn)能下降。為了解決這一問題，使用液氮冷卻模墊，讓模具保持合適的溫度，確保產(chǎn)品質量，提高產(chǎn)能。同時，鋁合金熱擠壓產(chǎn)品在擠出模具時溫度較高，易被氧化。利用氮氣的惰性保護特性，可以一定程度上提高產(chǎn)品的表面質量「1」。

1 液氮降溫工作原理

整套系統(tǒng)由液氮儲槽、真空硬管、氣液分離器、液氮調節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及真空軟管等組成?？膳c擠壓機實現(xiàn)自動聯(lián)動，根據(jù)擠壓機給出的擠壓信號自動控制液氮供應系統(tǒng)的啟停，同時根據(jù)擠壓機的溫度傳感器給出的模擬量信號自動調節(jié)液氮通量，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。液氮降溫系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

圖1液氮降溫系統(tǒng)工作示意圖

2 實施方案

為了驗證液氮冷卻技術的可行性，需要對現(xiàn)有的模具組中的模墊進行特殊設計和修改，同時為了使液氮導入模墊內，也需要對模套鉆孔。在模墊側面加工出液氮的引流溝槽，液氮通過外部的鉆孔進入模墊。模墊引流槽面與模具直接接觸。通過模墊表面的引流溝槽，液氮將汽化產(chǎn)生的冷量均勻地傳輸?shù)侥|。模墊再與模具之間進行冷量傳遞。同時，由于汽化的氮氣溫度也比較低，這樣就在模具出口的熱成型環(huán)節(jié)形成了一個既有冷卻作用又有保護作用的氛圍「2」。

整個試驗采用簡易液氮冷卻裝置進行。

在具體的實施過程中，我們選用4種典型的合金規(guī)格，依次是：7050合金EL4674型材（“Z”字型材）、2A12合金XC141-7型材（角材）、Y430合金EL4465型材（18×4.1的排材）和6082合金EL5739型材（異型材）。前三種合金在1250t擠壓機φ130筒上調試生產(chǎn)，6082合金在2000t擠壓機φ170筒上調試生產(chǎn)。

圖2是上述選取的4種典型規(guī)格合金的模墊開槽設計圖。

圖2模墊開槽設計圖

3 液氮冷卻技術對表面質量的影響

在鋁材擠壓過程中使用液氮冷卻模具，液氮的冷量是最關鍵的技術參數(shù)。簡易裝置不能根據(jù)擠壓機的溫度傳感器給出的模擬量信號來自動調節(jié)液氮通量，只能由操作人員通過觀察擠壓過程，如鐓粗階段、平流壓出階段、紊流壓出階段，然后手動調節(jié)液氮的通量。

液氮降溫技術的應用驗證發(fā)現(xiàn)，4種典型合金規(guī)格的擠壓表面質量較通液氮前都有大幅度的提高。例如，7050和2A12合金型材在開啟液氮降溫前，同一套模具上的型材表面麻點麻面明顯，開啟液氮降溫后，型材表面基本無麻點麻面、金屬豆等缺陷，表面非常光滑，基本上與進口制品相當（如圖3所示）。而硅含量較高的Y430合金（Si含量達9%～11%，Cu含量達6.3%～7.3%），其擠壓生產(chǎn)難度較大，尤其是表面質量問題突出。在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)3～5個制品表面就非常粗糙，擠壓紋路特別深。通液氮后，其擠壓制品表面質量有了大幅度提高，基本可避免日常生產(chǎn)中嚴重的擠壓紋路缺陷（如圖4所示）。6082合金擠壓制品表面質量較2系、7系要好很多，表面基本無麻點麻面現(xiàn)象，開啟液氮后，表面質量再次提高，型材表面更為光滑。

圖3 2A12合金XC141-7型材開啟液氮前后對比圖

圖4 Y430合金EL4465小排材開啟液氮前后對比圖

選取6082合金和7050合金試樣在掃描電鏡下進行觀察，各樣品表面典型電鏡形貌見圖5。

圖5各樣品表面典型電鏡形貌

由圖5可知，采用未加液氮工藝生產(chǎn)的型材表面粘傷嚴重，擠壓條紋明顯；采用加液氮工藝生產(chǎn)的型材表面光滑，擠壓條紋輕微，未見明顯粘傷。

4 液氮冷卻技術對組織性能的影響

4.1 加液氮前后低倍組織

分別取采用未加液氮工藝和采用加液氮工藝的淬火態(tài)橫截面樣品進行低倍檢測，檢測結果見表1。

表1低倍結果

由表1可見，加液氮與否對擠壓制品的低倍組織影響不大。相反，使用液氮冷卻模墊，沖抵了一定的擠壓熱和摩擦熱，使模具保持合適的溫度，在一定程度上抑制了金屬的再結晶，不易于形成較大的粗晶組織。

4.2 加液氮前后顯微組織

6082、2A12采用加液氮工藝和未加液氮工藝的顯微組織未見明顯差異；7050、Y430合金樣品采用加液氮工藝后其組織中第二相的尺寸明顯偏小（見圖6）。

圖6各樣品典型顯微組織

4.3 加液氮前后力學性能

分別取采用未加液氮工藝和采用加液氮工藝的熱處理后的試樣進行力學性能測試，檢測結果見表2。

表2各合金規(guī)格加液氮前后的力學性能

通過表2的數(shù)據(jù)可見，加液氮與否對產(chǎn)品的力學性能幾乎沒有影響。

5 小結

（1）液氮冷卻技術在擠壓制品上的應用驗證結果表明，增加液氮冷卻后，擠壓制品表面質量大幅度提高，基本無麻點麻面、金屬豆等缺陷，擠壓態(tài)的制品基本上與進口制品相當。

（2）通過對比加液氮冷卻工藝和未加液氮冷卻工藝的擠壓制品的組織和性能，擠壓制品的低倍組織和力學性能差異不大，增加液氮冷卻后，部分合金的顯微組織中第二相的尺寸明顯偏小。

（3）增加液氮冷卻工藝后，擠壓速度可得到一定程度的提高，同時減少了對模具的磨損，理論上減少了高溫下的膨脹以及多次修模的損耗，對模具工作帶以及模具本身起到一定的保護作用。