緒言：近年來高表面質量要求的工業(yè)型材開發(fā)以及市場對擠壓門窗裝飾材表面質量要求越來越高，擠壓產品的組織缺陷一直困擾著鋁擠壓生產者。其一是表面條紋，生產中稱為分色或黑白線，其外觀特征為局部深色或淺色條紋，觀察時變換角度，條紋部分在明暗之間轉換，對于電泳處理和光面氧化處理的產品影響大；其二空心型材的焊合線，對砂面厚膜氧化處理的產品影響大。
國內外學者和從業(yè)技術人員對擠壓材的組織缺陷進行了研究，如美國學者Adrew J?Thome與新西蘭學者Joshua E?Walker等人對擠壓材表面條紋缺陷的研究，國內蘇學常先生對空心擠壓材焊合線組織的研究。其基本重點在于研究缺陷的組織特征，列舉了缺陷組織位置與型材截面結構之間的對應關系，對缺陷產生機理作了一些推測；未提供有效的解決辦法。筆者一直在關注這方面的研究，也曾撰文探討條紋缺陷的組織特性這一問題，在生產實踐中觀察和收集資料，發(fā)現(xiàn)這些表面缺陷與模具設計結構、及由于結構所引起的金屬流動狀態(tài)、金屬與模具工作帶之間摩擦狀態(tài)密切相關。依據(jù)缺陷產生的可能原因優(yōu)化模具設計，從獲得的實際效果，似乎找到了解決問題的方法。本文將結合國內外的研究結果與筆者的觀察及收集的資料和生產實踐，提出自己的見解和思考，與同業(yè)共享。
1．關于組織條紋缺陷問題
通常，缺陷產生位置在三叉點、壁厚差變化較大區(qū)域、空心部位與實心部位的結合部、螺釘孔位底部，也有其他情況。筆者曾對這一問題進行過探討，2007年所撰論文中依據(jù)條紋缺陷的低倍組織特征對其性質作了推測，指出其可能為局部織構，并以此為線索解釋了條紋組織與正常組織晶粒大小差別的產生原因。最近美國學者Andrew J. Thome 與新西蘭學者Joshua E. Walker 等人對這一缺陷作了較為深入的研究，【1】得出了非常有意思的試驗結果；其中之一，光學顯微試驗顯示條紋部位的腐蝕坑密度明顯大于正常部位，如圖1【1】所示：
a) 正常部位?。? 條紋缺陷部位
圖1：條紋缺陷組織與正常組織對比
其中之二，電子背射衍射試驗（EBSD）顯示條紋缺陷部位形成了某種再結晶織構，其晶粒取向趨于一致，且晶粒尺寸較正常區(qū)域大，如圖2【1】所示：
圖2：條紋缺陷邊界的EBSD圖像，左邊為正常區(qū)域，右邊為條紋缺陷區(qū)域，箭頭指向擠壓方向。
筆者卻從其研究獲得的結果中得出不同的解讀，借助其研究結果，依據(jù)筆者在實際生產所獲得的經驗對其研究結果提出筆者的見解，對條紋缺陷產生原因作出不同的判斷。其一，關于條紋區(qū)域與正常區(qū)域顯微組織的差別筆者認為并非由于缺陷區(qū)域腐蝕反應較正常區(qū)域劇烈所致。蝕坑的形成是由于第二相質點的腐蝕脫落，第二相質點在腐蝕前已經存在，所以蝕坑密度的差別并不代表腐蝕反應的差別，而是預示著不同晶面上第二相質點分布密度的不同，其原因可能是由于在形成織構的晶面上第二相質點容易析出，故分布密度較大所致，即是否存在第二相質點析出的所謂慣習面？其二，關于條紋區(qū)域織構筆者認為既然確定是再結晶織構就肯定是完全再結晶組織，而不是未經歷再結晶，與局部擠壓比差別無關。對于織構產生的原因，Andrew J. Thome等人只是從型材的截面特性做出推測，認為是截面厚度的差別所造成。筆者從實際的案例可以證實，這是由于模具結構的原因導致金屬流動的不均勻所造成，如圖3所示：
圖3：料頭顯示實心部位與空心部位金屬的流速差，及相應出現(xiàn)的明顯條紋缺陷。
從料頭可看出空心部位與實心部位金屬流動的明顯差別，空心部位流動慢，受拉應力；相應表面出現(xiàn)明顯的深色條紋。顯然這種金屬流動的不平衡所導致的局部附加應力為再結晶織構的形成提供了條件，條紋缺陷的另一個特點是一般只在制品表面很薄的一層，蝕刻程度較大的沙面氧化處理則有可能去除條紋缺陷。這一現(xiàn)象說明了這一類缺陷與金屬流動的關系。
2．表面織構組織形成機制
以前對于工作帶摩擦機理的研究表明工作帶上的摩擦狀態(tài)分為兩個區(qū)域，靠近金屬流入端的黏著摩擦區(qū)與金屬出口端的滑動摩擦區(qū)「６」。關于不同摩擦狀態(tài)下形成的表面組織，筆者在工作實踐中曾作過試驗，一平板型材用兩種不同工作帶狀態(tài)的模具擠壓，觀察型材的表面低倍組織。工作帶狀態(tài)示意圖如圖5所示：左邊為普通的平行工作帶，其工作帶摩擦區(qū)域可分為黏著區(qū)與滑動區(qū)；右邊為帶一定阻礙角的工作帶，其工作帶摩擦區(qū)域幾乎全為黏著區(qū)[2]。
a)平行工作帶狀態(tài)下摩擦形態(tài)分區(qū)示意 b) 帶阻礙角工作帶狀態(tài)下摩擦形態(tài)分區(qū)示意
c)滑動摩擦狀態(tài)下形成的表面組織 d) 黏著摩擦狀態(tài)下形成的表面組織
圖4：不同工作帶狀態(tài)下型材表面組織對比
由圖可見，在滑動摩擦作用下型材表面的動態(tài)再結晶組織出現(xiàn)明顯的條紋，而在黏著摩擦狀態(tài)下形成均勻的再結晶組織。平行工作帶模具的金屬變形特征為：在黏著摩擦區(qū)金屬處于壓縮變形之中，而進入滑動區(qū)則只是工作帶表面與已成型金屬表面的相互摩擦，故表層金屬處于拉應力狀態(tài)。而帶阻礙角的工作帶的模具的金屬變形特征為：幾乎全為黏著摩擦區(qū)，其摩擦力趨于變形材料的剪切流動應力「8」；可以認為金屬在出?？浊笆冀K處于壓縮變形之中，金屬流動較為均衡，幾乎不形成表層金屬的拉應力。
從以上例證可以說明變形金屬與工作帶表面的摩擦狀態(tài)不同形成了不同的金屬表面的組織。1986年岡庭 茂在有關鋁擠壓金屬流動的綜述中「4」，也曾提及壁厚差明顯變化部位的組織差別，其表象為焊合部位較正常部位更有光澤，其顯微組織表現(xiàn)為焊合部位晶粒較為粗大，認為該部位經歷了與其他部位不同的熱過程和變形過程。并指出不是所有的光澤條紋都可用晶粒的大小來說明。筆者曾撰文推測這種組織條紋為局部織構組織，并從局部再結晶織構的觀點對其進行解釋，指出這些部位組織條紋的形成都與金屬流動不均勻所引起的附加應力有關[3]。再結晶織構形成理論的定向生長論指出：在恒定的驅動力作用下，晶界的移動速度決定于晶界兩側晶粒間的位向差。一次再結晶過程中形成了多種位向的晶核，但由于晶核的生長速度取決于其與變形基體間的向位，那些具備有利向位的晶核能夠消耗變形基體而迅速長大，而其他向位的晶核生長則受到抑制，從而形成一次再結晶織構「５」。在滑動摩擦狀態(tài)下表層金屬形成的附加拉應力就是形成型材表層動態(tài)再結晶織構的驅動力，由于有利取向的晶粒優(yōu)先生長，而其他取向的晶粒生長受到抑制，故織構區(qū)域的晶粒尺寸較大，由于該區(qū)域晶粒取向趨于一致，故折光方向性明顯。Andrew J. Thome 等人的EBSD試驗研究結果無疑印證了這一推測。從容易出現(xiàn)條紋缺陷的型材截面特征及對于相應模具工作帶設計的追蹤，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)條紋的部位大多為空心部位與實心部位結合部、壁厚相差懸殊結合部、螺釘孔位、三叉點等容易引起金屬流動不均勻的敏感部位，追蹤其模具設計圖，往往發(fā)現(xiàn)工作帶設計不盡合理，從擠出料頭也可看出端倪（如圖3）。由于工作帶設計的不合理造成金屬流動的不均勻，這種局部的流動不均勻雖然不影響成型，但局部金屬的流速差造成相互間的牽扯，流動慢的部位處于拉應力狀態(tài)，其與工作帶之間的摩擦狀態(tài)為滑動摩擦，于是在金屬表層形成織構組織。對于一些較厚的簡單型材雖然沒有特殊部位，但由于工作帶較長，手工拋光不容易保持工作帶表面的平整，結果也會造成局部而且是表面的附加應力，進而形成織構條紋（如圖4）。從試驗結果和分析，可找到解決問題的方向：使變形金屬流動均衡，使得型孔各部分金屬基本是被“擠出去”而不是被“拉出去”，不致產生表層金屬的附加拉應力。具體做法是1）合理設計工作帶，2）相應位置的工作帶給一定的阻礙，以使變形金屬與工作帶間處于黏著摩擦狀態(tài)，3）保持工作帶的平面度。
3．關于焊合線
十幾年前客戶就提出裝飾面不能有明顯焊合線要求，型材生產廠家即開始著手解決此問題，至今已取得明顯進展。主要采取的方法是將焊合線設置在角部或在焊合處設置裝飾線條以掩蓋焊合痕跡。許多無法避開焊合線的大平面以及曲面這一問題仍然困擾著型材生產廠家，如寬厚比較大的方管、圓管、大曲面管等；但并不是絕對會出現(xiàn)，既使是同樣型材同樣的模具設計，其嚴重程度也不盡相同。
圖5和圖6為兩個典型的實例，圖5 a)、b) 為實例的上模照片和其結構簡圖，c) 為擠出材料氧化后的效果。之所以出現(xiàn)明顯的焊合痕是由于分流孔及分流橋截面結構所造成，由圖可見其分流橋截面為傾斜結構，這樣會造成相鄰分流孔金屬在橋下匯流時的流速差，在焊合縫處局部形成強烈剪切變形區(qū)，在此局部聚集附加應力，這種附加應力成為局部再結晶織構的驅動力。當擠壓溫度足夠高時在此區(qū)域形成再結晶織構，在陽極氧化處理后在此區(qū)域形成焊合痕跡，從不同角度觀察或為亮線或為暗線，甚至當溫度條件不合適時，形成未再結晶的亞晶粒結構，成為高自由能聚集區(qū)，在陽極氧化處理的堿蝕工序此部位腐蝕程度明顯大于周邊，形成黑色腐蝕槽，如圖5 c)即為實例。
a) 上模照片 b) 分流橋結構示意
c) 氧化后結果（氧化膜厚度24μ）
圖5：出現(xiàn)明顯焊合線的模具上模結構和氧化處理后的結果
如圖6，為另一實例。為避免出現(xiàn)焊合痕跡，在模具設計上優(yōu)化分流孔配置，及分流橋焊合部位曲面形狀，以期得到均衡的金屬流動，減少附加應力。設計結構示意如圖6 a) ；擠壓料頭如圖6 b) ，結果可見金屬流動均勻，焊合處彌合良好；陽極氧化后的效果如圖6 c) ，幾乎看不到焊合痕跡。作為實例對比，圖6 d) 列舉了可能出現(xiàn)焊合痕跡的擠壓料頭，可明顯看到相鄰分流孔金屬流動的差別，在焊合處出現(xiàn)開衩現(xiàn)象，大瀝鋁材。
a) 模具結構設計 b) 擠出料頭
c) 裝飾面氧化處理后焊合痕跡極輕微（沙面氧化24μ膜厚） d)可能出現(xiàn)焊合線的典型料頭
圖6：分流橋在裝飾面上，由于模具結構合理能有效消除焊合線
金屬壓力加工從業(yè)者都知道，擠壓加工被加工材料在變形區(qū)處于三向壓應力狀態(tài)，具有最好的加工性能，但這只是基于簡單擠壓變形模型的結論，實際上擠壓加工并非如此簡單，由于金屬流動的不平衡局部金屬的應力狀態(tài)可能處于純拉應力狀態(tài)。模具設計、加工的基本考慮因素就是如何平衡型孔各部分金屬流動的速度，即讓變形金屬在型孔內基本都處于三向壓應力狀態(tài)，避免金屬流動不均勻所產生的過大的附加應力，此即為分流模擠壓空心型材焊合線問題的解決之道dalilvcai.com。
相關的研究明確了擠壓材條紋缺陷及焊合線的組織特征，表明條紋缺陷與空心型材的焊合痕跡都可歸結為局部織構。筆者從生產實際中的實例分析了組織缺陷與模具結構之間的關系，指出織構組織的形成是由于金屬變形的不均勻所引起的附加應力所致。
形成局部變形織構的型材結構類型：
1）型材截面實心部位與空心部位結合部，實心部分流動快，空心部位被牽扯拉出?？祝砻鎸映鲇诶瓚顟B(tài)，表層出現(xiàn)織構組織。
2）壁厚較厚的部位因工作帶長度設計不合理或工作帶不平造成心部金屬與表層金屬的流速差，表層金屬處于拉應力狀態(tài)，形成表面織構組織。
3）空心型材焊合部位，分流后的兩股金屬在焊合室匯流時產生流速差，由于兩股金屬間的相互牽扯，在焊合界面形成附加應力，形成沿焊合界面的織構組織，其分布穿透整個壁厚。
解決局部織構組織的方法指向：保持金屬流動的均衡，避免局部附加應力。具體應首先從模具入手，精確計算特殊部位的工作帶比例，如壁厚轉換點、截面空心部與實心部、厚截面的工作帶長度；分流孔的配置，焊合區(qū)的曲面設計優(yōu)化等dalilvcai.com。
金屬流動是否平衡不僅影響擠壓成型還影響材料的再結晶組織，如何使變形時金屬流動平衡是擠壓加工的永恒主題。
本文研究了鋁型材組織缺陷與模具結構之間的關系。借助國內外對缺陷組織性質的研究結果，結合筆者在實際生產中收集的資料及模具設計的實踐，闡述了鋁型材組織缺陷與模具結構的相關性，指出金屬再結晶織構組織與金屬流動不均勻引起的附加應力有關。提出解決組織缺陷的關鍵在于改進模具結構，平衡金屬流動，減少附加應力。
關鍵詞：鋁材擠壓技術 模具設計 模具結構 金屬流動 再結晶織構 附加應力 組織缺陷
