動車用大寬厚比鋁合金擠壓工藝研究

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摘要:對大寬厚比高速動車用6008鋁合金蒙皮型材的擠壓工藝、合金成分、鑄棒的均質制度、鑄錠加熱溫度、擠壓速度及拉伸率等幾個方面進行了深入研究。結果表明，通過合理的模具設計，鑄棒均質制度以及合理的鑄錠加熱溫度，擠壓速度等工藝控制，可以生產出屈服強度≥240MPa，抗拉強度≥280MPa，斷后延伸率≥10%，產品組織細小均勻，產品無低倍及表面缺陷的產品。

關鍵詞:大寬厚比;動車蒙皮;6008鋁合金;擠壓工藝

為了節能減排以及輕量化發展，高速動車組減少車身整體重量成為發展趨勢。近年來鋁合金高速動車領域應用比重逐年上升［1－2］。6008鋁合金屬于可熱處理強化的Al－Mg－Si系中高強度合金，沒有應力腐蝕開裂傾向［3］。6008鋁合金是瑞士鋁業協會在國際上注冊的合金，是由6005A合金發展而來的，但性能比6005A優異，被歐洲鋁業協會確定為“車體型材合金”，具有良好的塑性及優良的擠壓加工性能，可擠壓復雜壁薄的中空型材［4－6］。6008合金比6005A合金成分增加了0．05%～0．20%的釩元素。釩元素的加入能夠細化鑄造組織，提高再結晶溫度，改善時效行為使制品強度、韌性提高，塑性耐蝕性得以改善。高速動車組車體前端蒙皮型材傳統工藝由4mm厚的鋁合金板材沖壓成形，在沖壓拉伸過程中容易產生拉伸不足，回彈和型材空間扭曲變形等缺陷，嚴重影響蒙皮質量。采用一次擠壓成型生產工藝，省去了現有技術中的沖壓工序，節約了工時成本，同時提高了產品合格率。高速動車蒙皮型材由于寬厚比大導致擠壓比大，擠壓生產時易產生起浪扭曲等缺陷，鑄錠加熱溫度，擠壓速度控制不當，容易導致產品組織性能不合格，從而影響后續高速動車車頭司機室組裝使用。本文主要研究擠壓工藝對寬厚比大的6008鋁合金型材組織性能以及表面質量的影響。

1試驗材料與方法

1．1試驗材料

本次試驗采用型號為ZWGD－SJ－10，型材斷面見圖1，型材壁厚4mm，最大寬度795mm，擠壓噸位為12500T，擠壓比為80。此次擠壓鑄錠采用6008合金成分設計見表1。Mg、Si元素形成Mg2Si為6008合金主要強化相，過剩Si有利于合金的強化。Cr元素形成的(CrFe)Al7和(CrMn)Al6，可以阻礙再結晶晶粒長大，進而細化晶粒。但含量過高時會形成粗大第二相，提高淬火敏感性，故控制w(Cr)為0．15%～0．20%。Mn元素可以提高合金再結晶溫度，達到細化晶粒作用。形成的(FeMn)Al6可以減少Fe的有害影響，還可以提高合金韌性與耐腐蝕性。控制w(Mn)為0．20%～0．25%為宜。少量Cu可以起到補充強化作用，顯著改善合金在熱加工時的塑性，控制w(Cu)為0．10%～0．15%。元素在鋁熔體中形成的VAl10化合物可以促進ɑAl形核，提高再結晶溫度，使產品再結晶晶粒細化，塑性韌性提高，控制w(V)為0．10%～0．15%。

1．2試驗方法

鑄棒采用純鋁添加微量元素進行熔煉，經半連續鑄造后，隨著均勻化時間延長，鑄錠晶間枝晶組織逐漸減少，韌性增加［6］。故本次采用鑄棒570℃×8h均質處理后車皮，在12500T臥式擠壓機上進行擠壓。模具采用擴展面積的設計，加大了模具兩側的供料面積及擴展面積，從而達到增加模具兩側供料的目的，使產品擠出時中間部位與兩側鋁的流速均勻，防止局部流速過快產生變形扭曲等缺陷。本次擠壓，鑄錠溫度為490℃～530℃，擠壓速度2．0m/min～3．0m/min，采用風冷生產，拉伸量0．5%～1.5%。具體擠壓工藝參數見表2。本次試驗共進行4支鑄錠擠壓，由于型材壁厚較薄蓄熱性差，易導致進入有效淬火區溫度過低，型材寬厚比大采用強淬火方式易使型材產生變形。故采用可調節式風箱風冷淬火裝置，在出口處加擋風板防止溫度過低。由于擠壓比過大，在較小擠壓桿速狀態下，擠壓制品仍具有較快擠壓速度，故考慮擠壓桿擠壓速度，擠壓制品速度設置為2．0m/min起。各擠壓工藝嚴格按要求執行，擠壓后型材進行175℃×8h的熱處理制度。切取尾端4m處低倍料樣進行堿性溶液浸泡處理。

2試驗結果及分析

2．1表面質量及低倍檢測

擠壓生產在線拉伸后型材表面質量低倍性能檢驗見表3。型材擠出后表面均有起浪缺陷產生，但經過拉伸矯直后表面質量均可滿足客戶要求，但在壁厚測量過程中1號、3號鑄錠擠壓制品出現局部壁薄現象。分析得出拉伸率過大容易導致寬厚比大的型材產生局部壁薄現象。1號、3號擠壓制品經低倍檢測后出現縮尾缺陷，2號、4號擠壓制品低倍檢測合格。分析得出，擠壓寬厚比大型材時模具兩端供鋁量與心部存在差異，而擠壓速度增快時會放大此影響導致制品兩側與心部流速更為不均勻，使擠壓末期模具死區金屬不易充分切除從而導致縮尾的產生。

2．2力學性能檢測

對4支鑄錠擠出的型材進行力學取樣，使用日本島津電子萬能試驗機進行力學性能試驗，試樣尺寸按GB/T228．1－2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》中要求進行加工，檢測結果見表4。對比1號、2號與3號、4號鑄錠擠出型材力學性能，2號產品力學性能高于1號產品，4號產品力學性能高于3號產品。分析得出，在棒溫相同情況下，采用風冷淬火時擠壓速度過快易導致產品淬火不充分，進而影響力學性能。對比1號、3號與2號、4號鑄錠擠出型材力學性能，1號產品力學性能略高于3號產品，2號產品力學性能略高于4號產品。分析得出，在擠壓速度相同情況下，采用風冷淬火時，高棒溫可以提高力學性能但影響不大。

2．3組織晶粒度檢測

對4支鑄棒擠出的型材進行高倍組織觀察以及晶粒度檢測，如圖2、圖3所示。對比1號～4號型材高倍組織形貌可知，4種鑄棒擠出型材的組織都比較均勻，且第二相析出數量相當，故力學性能相差不大。對比1號～4號鑄棒擠出型材晶粒度檢測結果可知，4種基體晶粒度均為7級，符合基體平均晶粒度≥3級要求。皮質層晶粒度符合法國標準NFA04－503鋁合金晶粒度測量方法中的要求，但皮質層晶粒度可以明顯看出，1號鑄棒擠出型材皮質層晶粒粗大，2號晶粒度稍大于3號，4號晶粒最小。分析得出，在高溫高速擠壓下，型材表面與模具摩擦較大，在高溫驅動下晶粒異常長大更為明顯。

3結論

(1)寬厚比大的6008合金擠壓型材采用棒溫490℃～510℃，擠壓速度2．0m/min～2．5m/min，風冷淬火，拉伸矯直率控制0．5%～1．0%的工藝制度，可以生產出屈服強度≥240MPa，抗拉強度≥280MPa，斷后延伸率≥10%，組織細小均勻，產品無低倍及表面缺陷的產品。(2)6008合金采用風冷淬火時，棒溫在490℃以上時增加棒溫對產品力學性能影響不大。為得到更高力學性能產品應合理控制擠壓速度，保證淬火充分。(3)擠壓寬厚比大的型材時，縮尾長度有隨著擠壓速度增加而加長的趨勢。(4)6008合金基體晶粒度受鑄棒溫度，擠壓速度影響不大，但皮質層晶粒隨著棒溫增加，擠壓速度增大顯著增大，并且溫度影響大于速度影響。

作者:何金 李美玲 楊明 高彤 崔家銘 方宇 單位:遼寧忠旺集團有限公司