文献综述——铝挤压

基于数值模拟研究铝合金管材挤压

过程中的金属流动规律及模具优化设计文献综述

1.铝合金分类及铝合金挤压现状

纯铝的密度为ρ=2.7g/cm3，约是铁的1/3，熔点为660℃，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ：32～40%，ψ：70～90%），易于加工，可制成各种型材、板材，并且具有极好的抗腐蚀性能；但是纯铝的强度很低，退火状态σ

b 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σ

b 值分别可达24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σ

b

/

ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。近几十年来发展十分迅速，在国民经济和人民生活各领域获得了十分广泛的应用，成为仅次于钢材的第二大金属材料。

2002～2010年间，全国铝合金产量如表1所示。

表1 2002-2010年中国铝合金产量及增长速度统计

从表中可以看出，2002-2010年间，全国的铝合金产量呈上升趋势。随着加工技术，产品性能的提高，铝合金的产量将继续增大，其应用必定会更加广泛。

1.1铝合金的分类

铝合金分两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗

等。铝合金挤压所用的材料一般均为变形铝合金。

1.1.1铸造铝合金

铸造铝合金（cast aluminium alloy）是指适于熔融状态下充填铸型获得一定形状和尺寸铸件毛坯的铝合金，可按成分中铝以外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四类，代号编码分别为100、200、300、400。

(1)铝硅系合金，也叫“硅铝明”或“矽铝明”。有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，含硅量在10％～25％。有时添加0.2％～0.6％镁的硅铝合金，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。有时添加适量的铜和镁，能提高合金的力学性能和耐热性。此类合金广泛用于制造活塞等部件。

(2)铝铜合金，含铜4.5％～5.3％合金强化效果最佳，适当加入锰和钛能显著提高室温、高温强度和铸造性能。主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件。

(3)铝镁合金，密度最小(2.55g/cm3)，强度最高(355MPa左右)的铸造铝合金，含镁12％，强化效果最佳。合金在大气和海水中的抗腐蚀性能好，室温下有良好的综合力学性能和可切削性，可用于作雷达底座、飞机的发动机机匣、螺旋桨、起落架等零件，也可作装饰材料。

(4)铝锌系合金，为改善性能常加入硅、镁元素，常称为“锌硅铝明”。在铸造条件下，该合金有淬火作用，即“自行淬火”。不经热处理就可使用，以变质热处理后，铸件有较高的强度。经稳定化处理后，尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。

铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系，具有与变形铝合金相同的强化机理﹙除应变强化外﹚，他们主要的差别在于：铸造铝合金中合金化元素硅的最大含量超过多数变形铝合金中的硅含量。铸造铝合金除含有强化元素之外，还必须含有足够量的共晶型元素﹙通常是硅﹚，以使合金有相当的流动性，易与填充铸造时铸件的收缩缝。

为了获得各种形状与规格的优质精密铸件，用于铸造的铝合金一般具有以下特性。

（1）有填充狭槽窄缝部分的良好流动性；

（2）有比一般金属低的熔点，但能满足极大部分情况的要求；

（3）导热性能好，熔融铝的热量能快速向铸模传递，铸造周期较短；

（4）熔体中的氢气和其他有害气体可通过处理得到有效的控制；

（5）铝合金铸造时，没有热脆开裂和撕裂的倾向；

（6）化学稳定性好，抗蚀性能强；

（7）不易产生表面缺陷，铸件表面有良好的表面光洁度和光泽，而且易于进行表面处理；

（8）铸造铝合金的加工性能好，可用压模、硬模、生砂和干砂模、熔模石膏型铸造模进行铸造生产，也可用真空铸造、低压和高压铸造、挤压铸造、半固态铸造、离心铸造等方法成形，生产不同用途、不同品种规格、不同性能的各种铸件。

但是铝的化学性质比较活泼，熔炼过程中易与水气反应，氧化并吸氢。氢在铝合金中从液态到固态的饱和溶解度相差近17倍。因此，铝合金铸件易产生针孔和夹杂等缺陷[1]。使得产品的性能难以稳定。

1.1.2变形铝合金

变形铝合金可以按其特征进行一下几种分类：

（1）按照抗拉强度的高低分为：低强度（σ

b <294MPa）、中等强度（σ

b

=294～

441MPa）和高强度（σ

b

>441MPa）铝合金；

（2）按照热处理强化程度分为：热处理强化铝合金和热处理不强化铝合金；

（3）按照焊接性能分为：可焊铝合金，在熔化焊接是时，能够保持或者仅稍微改变其力学性能；不可焊铝合金，在熔化焊接时，合金的强度、力学性能显著降低；

（4）按照抗腐蚀性能分为：高抗蚀性（在大气条件下和海水中抗一般腐蚀性能和抗应力腐蚀性能高）、中等抗蚀性和滴抗蚀性铝合金。

几种典型挤压铝合金及其特性。

（1）1035合金。

1035合金是含0.7%以下杂质的工业纯铝，其中主要杂质是铁和硅。铁和硅以及某些其他金属杂质能略微提高强度，但显著的降低了合金的塑性和导电性能。随着杂质含量的减少，合金的抗蚀性逐渐提高。

（2）3A21合金。

3A21合金是Al-Mn二元系中的变形合金，具有极高的抗蚀性。3A21合金的半成品能够很好的进行气焊、氢原子焊、氩弧焊和接触焊，且焊缝的抗蚀性与基体金属相同。在冷状态和热状态下合金的变形性能好，热变形的温度范围很宽（320-470℃）。热处理方法不能强化，合金型材在退火或热挤压状态下供应。

（3）5A06合金。