铝合金管材在热挤压时产生的纵向直条状擦伤是表面擦伤中最严重的一种，所造成的废品占管材擦伤 废品总量的６０％以上。而这种擦伤绝大部分是由于穿孔针在挤压过程中粘铝所造成的。本文力图 揭示粘铝的机制，以便采取有效措施消除或减少穿孔针粘铝。ｌ接触表面上的性质及状态１．ｌ接触表面的温度高、压力大铝合金管材挤压温度通常在４００℃左右。由于变形热、摩擦热的作用，以及散热条件差的影响，穿 孔针与铝的接触表面的温度还要更高。接触表面上的压力通常可达到几百兆帕以上，而机械运动中一般重载轴承所承受的压力也只有２０～５０ ＭＰａｌ’·’ｊ。１．２接触时间长 有些铝合金管材的挤压速度比较慢，例如 ７Ａ０４合金通常金属流出模孔的速度为０．５～１．ｓｆｏｒ。因此，在挤压过程中穿孔针与铝之间的接触时间较长。１．３接触应力状态复杂 挤压过程中，其接触面上的应力状态很复杂，是变形区内金属所处应力状态、变形区几何参数、外界加工条件（温度、速度、变形程度等）的函数［’］．１．４接触表面的状况不断变化 在用固定针挤压时，针固定不动，铝沿着穿孔针表面流动。在用随动针挤压时，由于延伸变形的存在 ，铝与穿孔针之间也有相对运动。这种相对运动使接触表面不断更新变化，特别是在有润滑剂存在时其变化更为复杂。１．５真实接触面积大通常当两个物体发生接触时，由于表面的微凸度不平，实际接触面积是很小的，一般只有表观面积的 ０．ｏｆ０一０．ｌＯ［’］。铝材在挤压过程中，由于高温、高压的作用使金属发生塑性变形，其真实接触面积扩大。在局部范围内，甚至会出现接触率趋于１的情况。１．６润滑剂不能连续加入铝合金管材热挤压，涂抹在穿孔针表面的润滑剂是一次性涂抹。在挤压过程中，涂抹在针上的润滑剂随着金属流动而逐渐消耗又不能连续加人，从而使润滑条件恶化。２接触表面上的作用 通常情况下，铝合金管材是采用润滑穿孔针的方式生产．如果涂抹在针表面上的润滑剂足够多时，在 挤压过程中，润滑剂将把穿孔针与被挤压金属完全隔开。但在实际生产中，由于涂抹在穿孔针表面 的润滑剂有限，且涂抹中存在不均匀性，随着挤压过程的进行，接触面上的润滑剂越来越少，激粗 阶段的湿摩擦状态很快转变为混合摩擦状态，进而局部或全部转变为干摩擦状态，导致铝与穿孔针表面直接接触，从而在接触面上产生一定的作用。２．ｌ机械啮合作用穿孔针表面从宏观上看是光滑的，但从微观上看是凸凹不平的。存在着微凸体．如果不进行担磨、渗氮处理，其表面粗糙度最好情况下只能达到凡一一１．６ ｍｐ而进行行磨、渗氮处理后也只能达到 Ｒｇ＝０．２～０．４Ｗ，通常情况下，穿孔针表面是不进行瑜磨、渗氮处理的，对其表面粗糙度的要求为 Ｒａ— ｌ二６ １ｆｉｌｌ一在挤压过程中，当接触面上局部出现干摩擦时，在高温下硬度很低的铝将被压人到硬度 高的针表面微凸体的峰谷中．在铝的变形流动过程中，这种微凸体的凸峰对接触面上铝的流动起阻碍作用。２．２分子间的吸附作用由于铝压人到针表面微凸体的峰谷中，使二者的真实接触面积增大。由于分子间相互吸引的作用，在 真实接触部位会产生粘着力很强的粘接点，并伴随有焊合产生Ｉ’Ｊ．随着锅沿着针表面滑动，粘 接点会长大，从而产生强烈的粘附．这种粘附作用阻碍铝沿针表面上的正常流动。２．３原子（分子）扩散作用当铝与穿孔针之间因真实接触面积扩大而产生很强的粘附时，在接触面上会产生元素之间的相互扩散 。在穿孔针表面会形成含有铝合金元素的扩散层Ｉ‘ｌ。这个渗有铝合金元素的扩散层与铝有更好 的相溶性，从而使穿孔针与铝之间更容易产生粘接．相应地，穿孔针表面层的元素也会向铝合金扩 散，随着铝的变形流动而流人制品中，使穿孔针表面的微凹凸不平加剧，进而产生更强烈的粘附． 我们取一个使用过的３ＣｒＺＷ３Ｖ钢穿孔针，先将穿孔针表面上的粘铝清除掉，然后用线切割将 其沿垂直于工作带表面的横向切开，并切下一块试样，利用扫描电镜对截面边部各元素的分布作面 扫描和线扫描照相；并取距横截面边部不同位置的两点，作微区成分能谱分析。扫描照相见图１，能谱分析结果见表ｌ。从扫描照片和微区分析结果可以看出：（ｌ）在穿孔针与铝的接触面上存在原子（分子）之间的相互
扩散；（２）由于铝元素向穿孔针表面层扩散，在穿孔针表面形成了含有铝的扩散层；（３）由于 穿孔针表面各处的表面状态、表面性质及表层结构等不完全相同，铝元素的扩散也是不均匀的；（ ４）扩散只发生在表面层，扩散量与其距离成反比；（５）铁元素也向铝中产生了扩散，这一点从 铁元素含量的减少得到说明，另外，从铁元素的线扫描照片还可以看出，距穿孔针表面越近，铁扩 散出去的量越多；（６）在铝、铁元素相互扩散的同时，铝合金中的锰元素和穿孔针中的铬、钨元素，也产生了相互扩散．３影响穿孔针粘铝的因素影响穿孔针粘铝的主要因素分述如下。３．ｌ铝合金的变形抗力 挤压力大小与铝合金的变形抗力成正比关系。随着变形抗力增加，挤压力增大，金属变形过程中作用 在穿孔针表面的正压力增大，穿孔针表面微凸体的凸峰产生的弹性变形增大，从而造成二者之间真 实接触面积增加，产生粘附的比率增加。这就是在挤压硬铝合金管材时，其内表面擦伤比挤压软铝合金严重的主要原因。３．２铝合金的化学成分铝合金化学成分对穿孔针粘铝的影响主要取决于接触面上能否形成固溶体。当铝合金中元素的原子半 径与穿孔针铁元素的原子半径相差不大时，在穿孔针表面层易形成置换式固溶体，促进扩散层的形成。当被挤压铝合金中元素的原子半径远小于铁的原子半径时，接触面上将倾向于形成嵌入式固溶体，可显著提高穿孔针的表面硬度和抗磨损能力，阻碍扩散层的形成。 当被挤压铝合金中元素的原子半径与铁元素的原子半径相比非常大时，在铁的基体中很难形成固溶体，可阻碍扩散层的形成ｌ’］３．３穿孔针的表面状况 穿孔针的表面状况主要是指表面粗糙度、硬度和是否进行化学热处理。 表面粗糙度越大，穿孔针越易粘铝；表面硬度越低，针表面微凸体的凸峰受高压作用易发生较大的弹 性变形，甚至产生塑性变形，使其与铝的真实接触面积增大，产生很强的粘附。在实际生产中我们 发现，当穿孔针因热处理不合格而强度较低时，在挤压过程中特别易发生粘铝，甚至出现针变形、被拉细拉长等现象。对穿孔针表面进行化学热处理，如渗氮处理，由于氮的原子半径（０．５ Ｘ １０”则远小于铁的原子半径门２２４ｘ １０－’‘ｍ），在穿孔针的表面层易形成嵌入式固溶体，从而显著地提高其表面硬度和抗磨损性能，阻碍铝元素向针表面层扩散。３．４变形程度 随着铝材变形程度增大，一方面，挤压力增大，铝合金变形对穿孔针表面作用的正压力增大，针表面 微凸体的凸峰产生的弹性变形增大，从而使其与铝的真实接触面积增大，粘附增强；另一方面．变 形程度增大导致变形热增加，从而使接触面上元素的原子（或分子）活性增加，促进扩散的进行，在针表面层易形成铝元素的扩散层。３．５挤压温度扩散系数随温度升高而增大，因此，挤压温度越高，越有利于铝元素向针表面层扩散，促进扩散层的形成。３．６挤压速度 挤压速度越快，变形热、摩擦热等不易散失，由于热效应，使接触面上的温度升高，有利于扩散层的形成。３．７铸锭内孔表面状况 铝合金空心铸锭楼孔加工后，一般要进行均匀化处理，在其表面形成氧化层，它在挤压时不能随基体 金属一起变形，而被压碎，破碎的氧化物一方面随金属流动流向制品中，恶化制品表面，另一方面会破坏针表面的润滑膜，从而划伤穿孔针，造成穿孔针粘铝。３．８铸锭长度气 铸锭长度对穿孔针粘铝的影响主要是在挤压后期，随着针表面上润滑剂的消耗出现了干摩擦，造成穿孔针粘铝。３．ｇｉ艺润滑 采用有效的工艺润滑可减少铝与穿孔针表面直接接触，减少穿孔针粘铝。４结束语 铝合金管材在挤压过程中，由于各种因素影响，穿孔针与铝之间会发生直接接触。由于穿孔针表面存 在着微凸体以及接触面上原子（或分子）的吸附及扩散作用，在其表面上形成不均匀的粘铝，使挤 压出的管材内表面经常出现擦伤缺陷。铝合金管材挤压过程中穿孔针粘铝的机制分析@邓小民$华 东冶金学院冶金系!安徽 马鞍山243002挤压;;
铝合金;;扩散;;
吸附;;穿孔针;; 粘铝：穿孔针粘铝是造成铝合金管材挤压时产生内表面擦伤缺陷的主要原因之一．利用扫描电镜对 挤压过程中穿孔针与铝的接触面之间相互作用的行为进行了研究，分析了粘铝的机制及其影响因素 。<1>孙建林.塑性加工摩擦与润滑
.长沙:中南工业大学教材料,1992,15～18,23～24.
<2>李虎兴.压力加工过程的摩擦与润滑.北京:冶金工业出版社, 1993,125.
<3>邓小民.硕士学位论文.长沙:中南工业大学,1992,9～10.形过程中作用在 穿孔针表面的正压力增大，穿孔针表面微凸体的凸峰产生的弹性变形增大，从而造成二者之间真实 接触面积增加，产生粘附的比率增加。这就是在挤压硬铝合金管材时，其内表面擦伤比挤压软铝合金严重的主要原因。３．２铝合金的化学成分铝合金化学成分对穿孔针粘铝的影响主要取决于接触面上能否形成固溶体。当铝合金中元素的原子半 径与穿孔针铁元素的原子半径相差不大时，在穿孔针表面层易形成置换式固溶体，促进扩散层的形成。当被挤压铝合金中元素的原子半径远小于铁的原子半径时，接触面上将倾向于形成嵌入式固溶体，可显著提高穿孔针的表面硬度和抗磨损能力，阻碍扩散层的形成。 当被挤压铝合金中元素的原子半径与铁元素的原子半径相比非常大时，在铁的基体中很难形成固溶体，可阻碍扩散层的形成ｌ’］３．３穿孔针的表面状况 穿孔针的表面状况主要是指表面粗糙度、硬度和是否进行化学热处理。 表面粗糙度越大，穿孔针越易粘铝；表面硬度越低，针表面微凸体的凸峰受高压作用易发生较大的弹性变形，甚至产生塑性变形，使其与铝的真实接触面积增大，产生很强的粘附。在实际生产中我
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