作者：郑晓敏
1 金属挤压工艺极限图
软铝合金主要包括lx××、3xx×及6×××系的大部分铝合金，是最适合于采用快速热挤压的铝合金，如1×××、3×××等铝合金的挤压速度可达200m/min以上，而6063等铝合金可达100 m/min以上，这样可充分发挥合金的潜在能力，大大提高挤压产品的生产效率，缩短生产周期，节约能耗，降低生产成本，同时可减少挤压生产线，节约设备投资、基建费用和占地面积。对于促进我国国民经济的持续高速发展和铝合金挤压的进步都具有重大意义。但其挤压速度的提高不仅仅取决于合金成分，而且还取决于挤压工艺的合理匹配。
金属挤压的工艺参数很多，如挤压力、挤压温度、挤压速度、挤压变形程度、制品的形状与尺寸、制品的性能要求、锭坯的形状与尺寸、挤压机的能力与挤压筒尺寸等等。但决定挤压制品质量、成品率和生产效率的重要工艺参数主要是挤压速度、挤压温度和锭坯尺寸，如果这三个参数能优化匹配，特别是挤压速度和挤压温度能优化匹配就能成批地生产出成品率高、生产效率高，成本低的优质挤压制品。
图1所示为挤压工艺极限图。该图说明了挤压温度和挤压速度的关系。它表达了最佳的挤压工艺窗口，在挤压机的挤压能力之内来避免制品的表面缺陷，满足制品的力学性能和达到最高的生产效率。该窗口由三根极限曲线所围成。第一根是挤压机的挤压能力极限曲线，也称压力极限线；第二根是对制品力学性能、组织与性能要求的极限线；第三根是最高挤压温度极限线，在制品表面开始出现熔化前材料允许的最高挤压温度和对应的挤压速度。挤压工艺极限图是要靠试验和理论计算，并经过生产中的不断修正才能建立的数据库。
通过典型的挤压成形极限图可看见等温挤压的影响：挤压一个给定产品的能力在左边受到所需压力的限制，在右边受到合金表面质量曲线的限制。整个锭坯必须以同一温度挤压（即图2中箭头所示位置）才能达到最大的挤压速度，由此可见等温挤压对挤压速度的影响。
2快速挤压的基本概念
1)挤压速度
挤压速度是决定挤压制品质量、生产效率以及挤压力和生产成本的一个十分重要的工艺参数，在铝及铝合金挤压生产过程中，挤压速度一般是指挤压制品从模孔中流出的速度U，而不是挤压轴移动的速度V，二者之间存在如下关系式：
式中：
U一挤压制品流出模孔速度，m/min；
V一挤压轴移动速度，mm/s；
A-挤压系数。
可见，V和λ越大，则U就越大。一般来说，铝及铝合金挤压机（挤压轴）的移动速度设定为0 - 21mm/s，最大也不会超过25 mm/s。铝及铝合金的λ因铝合金成分不同而不同．如2024硬铝合金、7075超硬铝合金的最佳A范围为12 - 45，而软铝合金（如1100、3003、6063等铝合金）的A最大可达200以上，可实现快速挤压。
2)快速挤压
以全自动生产制度运行的现代化挤压机，其每个完整的挤压周期共包含长度变化的挤压时间和长度固定的非挤压时间。
挤压时间是指挤压工艺过程从充填结束，开始突破的瞬间至挤压到规定的压余为止，准备开始卸压这段时间，可按如下公式简单进行计算：
式中：
T一挤压时间，s；
To一为工艺选定的突破时间，或者突破行程与突破速度之商，s；
v-一挤压工艺（对其合金某产品）所选用的挤压速度（挤压轴移动速度），mm/s。
从(2)式可以看出，挤压时间长短取决于被挤压锭坯的长度、生产工艺所选用的挤压速度、生产工艺所选用的突破时间（突破行程/突破速度）。当锭坯长度和突破时间一定时，则挤压速度越快，所需挤压时间就越短，金属流出模孔的速度就越快，挤压的生产效率就越高，这就是我们所寻求的快速挤压。
非挤压时间对一台挤压机来说基本上是固定不变的，在此不讨论。
尽量缩短挤压时间的快速挤压工艺是提高铝及铝合金挤压牛产效率的重要途径之一。目前铝合金的快速挤压方法主要有冷挤压、冲击挤压、无残料连续挤压、高速静液挤压和软铝合金快速热挤压等。前4种方法的挤压速度可达到很高水平（高速挤压），但均属于冷挤压范畴，而且仅适用于某些合金和品种，应用十分有限。因此下面仅论述应用十分广泛且有显著经济效益和推广价值的软铝合金的快速热挤压及其关键技术。
3软铝合金正向快速热挤压技术的特点与优越性
1)影响铝及铝合金挤压速度的主要因素
①材料的金属成分与性质。纯铝及软合金的塑性高，可挤压性好，其挤压速度高，如1050、3003、6063等软铝合金最高挤压速度可达300 m/min，而表面不开裂纹。而合金成分高的硬铝合金和超硬铝合金，如5056、2024、7075等合金，其挤压速度一般只能控制在0.1 -3 m/min的范围，否则会产生严重的表面裂纹。
②温度。包括挤压温度，挤压筒温度，模具温度以及挤压过程中的温升都会影响挤压速度。一般来说，挤压温度越高，则挤压速度就应控制越低。根据挤压工艺极限图，每种铝合金都有一个根据表面质量、力学性能、挤压力太小而确定的极限挤压温度线和极限挤压速度线，并由此二线包含一个最佳挤压范围，可见，挤压温度较低时允许的挤压速度就较快。等温挤压可提高挤压速度。
③锭坯的质量。经过均匀化处理、组织均匀细密、表面光洁的优质锭坯可提高挤压速度。
④工模具的质量与温度控制。选择优良的工模具材料，经热处理和表面处理获得合理的硬度和高的表面硬度，经先进的机加工、电加工、热加工获得精密的高表面质量的工模具。合理的模具结构设计等均可均匀金属流速，减少金属流动过程的摩擦阻力，提高挤压速度。此外，合理的挤压筒，模具的加热温度，特别是控制模口温度，实现等温挤压可大幅度提高挤压速度。
⑤配置好机前机后设备，创造好等温挤压的条件，也可提高挤压速度和生产效率。
总之，凡是能提高铝及铝合金可挤压性的因素都可以提高挤压速度，反之亦然。
2)软铝合金正向快速热挤压的特点与优越性
如上所述，影响软铝合金挤压速度的因素是很多的，要提高挤压速度，实现软铝合金的快速挤压，就必须合理分析并利用这些影响因素的特点及其相互之间的作用，以达到最佳效果，并显示出软铝合金快速挤压的优越性。
软铝合金快速热挤压的特点是：
①具有优良可挤压性的软铝合金及组织均匀细密纯洁的优质锭坯。
②在等温或近似等温的条件下，能以大于50 m/min - 80 m/min的高挤压速度持续大批量地进行正向热挤压过程。
③快速挤压出的制品表面光洁、平直、无裂纹、无毛刺而且尺寸均匀，符合技术条件要求。
软铝合金正向快速热挤压的优越性是：
①在普通的现代化的单动正向油压挤压机上即可实现软铝合金的快速挤压，对生产线不要求进行大的改造。
②生产效率可大幅度提高。目前我国绝大多数挤压机生产线的挤压速度为15 m/min - 30 m/min，如提速到50 m/min - 80 m/min，其生产效率即可提高3 -5倍。单位时间和单位产量的能耗也可大幅度降低，通俗地说，一台挤压机可当几台挤压机用。
③由于在等温条件下挤压，制品的组织、性能和尺寸都比较均匀，产品质量好，成品率高，成本可降低。
④由于采用水冷却或液氮冷却模具挤压，使模具温度始终保持在3500C -400T之间。不仅可提高模具使用寿命，而且可减少换模时间和费用，降低产品的单位成本。
⑤目前，我国正处于工业化、城镇化的高潮，以6063铝合金为代表的建筑铝型材占了整个铝挤压材用量的60%以上。6063铝合金的可挤压性很好，其允许的挤压速度最高可达100 m/min以上。大力研发与推广6063铝合金的快速挤压速度技术，将对我国绿色建筑的发展做出重大贡献。
4 实现软铝合金正向快速热挤压的基
本条件和关键技术
实现快速挤压是一个巨大的系统工程，涉及面很广，需要投入大量的人力、物力和财力，进行广泛的研发，创造以下基本条件并解决几个关键技术才能实现。
1)优质的挤压坯料
合金的最高挤压速度可以通过改善坯料的组织性能、调整坯料的成分而提高。通过优化合金成分，选择最佳的主要元素配比和杂质元素控制，制订合理的熔铸工艺，采用先进的精炼、在线净化处理和细化处理技术，获得良好的脱气、除渣和细化效果，进行高温快冷均匀化处理等，有利于提高铝合金的挤压速度。例如，采用热顶铸造法改善锭坯组织和性能均匀性有利于改善合金的可挤压性，提高挤压速度。研究结果表明，对于6063铝合金，细化晶粒、减少铸造树枝状晶，有利于提高合金的最高挤压速度，减少产品表面产生裂纹的可能性。这主要是晶粒的细化使得晶界析出物均匀化的缘故。
降低6063铝合金中镁的含量，可以提高合金的最高挤压速度。将6063铝合金的镁含量（质量分数）减少到0. 40%左右（即6060铝合金的镁含量）时，有利于实现高速挤压。但镁的含量降低后，其热处理（T5处理：挤压后直接淬火+人工时效）强化效果有所降低。因此，可以根据产品用途来调整合金的成分，以达到提高挤压速度，从而提高生产效率的目的。降低镁含量的效果主要有两个方面：一是W( Mg)<0.600-/0时，合金的变形抗力随镁含量的降低而迅速下降，变形能耗降低，挤压时模孔附近的温升减少；二是随着镁含量的降低，合金的固相线温度上升，挤压时不容易产生过热。
2)优质和高寿命的模具
获得优质、高寿命模具的措施主要有：选择优质模具材料；优化模具结构与尺寸设计，严格的强度校核；采用先进合理的机加工、电加工、热处理工艺，保证模具具有好的尺寸精度，高的表面硬度和适中的基体硬度，低的表面粗糙度；制订合理的使用、维修与管理制度。进行模具使用全过程的计算机信息管理，以积累经验，提高模具设计、加工与维修水平。
3)优化挤压和在线热处理工艺
严格控制锭坯、挤压筒和模具加热温度，而要实现长时间的快速挤压，应采用水（液氮）冷却模具技术（见下述），以降低模具和金属变形区的温度；确保挤压温度一速度．挤压力之间的最佳配合，创造等温挤压条件，严格控制铝材在线水（雾）气冷淬火工艺，确保铝材淬火效果和形状精度。
4)改进挤压机后设备，保证生产线高速运行
为了保证产品质量，提高生产效率，要对挤压机后部设备，如精密淬火装置、牵引机、输料辊道、冷却设施和冷床、拉矫机、人工时效炉等进行配套改造，使之能与产品出口速度同步协调运行。
5)采用先进可靠的水冷却或液氮冷却模具装置，实现冷却模挤压
在正向热挤压铝合金时，温度、速度、挤压力是一组相互影响的工艺参数，温度和速度尤其是两个互相制约的参数。挤压速度加快，则金属的变形热增高，进而升高了金属的温度。当温度升到一定值时，金属会产生过热或过烧，出现表面裂纹，此时应大幅度减速或大幅度降低模具和变形区温度才能保证产品质量。目前，为了维持快速挤压，最简便的办法是采用冷却模挤压技术，降低金属变形区温度，确保挤压模口的温度始终保持在350。C -4000C之间。冷却模挤压包括水冷模挤压和液氮冷却模挤压两种方法。
采用冷却模挤压法具有下述优点：
①提高挤压速度；
②抑制铝材再结晶或再结晶长大的进行，防止产品表面产生粗晶环（对于型材来说，称其为表面粗晶层更合适）；
③改善产品表面质量、提高光亮度。
5 结束语
软铝合金快速热挤压是充分发掘软铝合金的潜力，大大提高生产效率和产品质量的一项值得大力推广应用的先进挤压工艺，但实现快速挤压是一项系统工程，应从优化合金成分、制备优质挤压锭坯、优质挤压模具、优化挤压工艺和热处理工艺、冷却模具、创造等温挤压条件、配套先进合理的工艺装备等方面着手，解决一系列技术难题才能取得应有效果。
6摘要：简述软铝合金快速热挤压的可能性及极限范围，重点讨论快速挤压的特点、优越性及实现快速热挤压的基本条件与关键技术。
