高速列車(chē)車(chē)體用6005A合金剝落腐蝕性能提升

徐群峰，于金鳳

（叢林集團(tuán)有限公司，山東 龍口 265705）

6005A合金由于其優(yōu)良的擠壓性、焊接性、耐腐蝕性及中等的強(qiáng)度，在高速列車(chē)車(chē)體型材中得到廣泛的應(yīng)用。隨著高速列車(chē)的快速發(fā)展，高速列車(chē)的高速性、輕量化以及對(duì)列車(chē)舒適性和安全性的要求使得其對(duì)車(chē)體型材的綜合性能越來(lái)越高[1]。尤其是車(chē)體牽引梁、枕梁和緩沖梁在服役環(huán)境下對(duì)型材的耐腐蝕性能提出更為嚴(yán)格要求。為保障列車(chē)的運(yùn)行安全，從合金成分入手，配以嚴(yán)格的熔鑄、均勻化、擠壓及時(shí)效工藝，提升型材的剝落腐蝕性能，滿(mǎn)足其綜合性能的要求。

1 試驗(yàn)方法

剝落腐蝕試驗(yàn)按照HB 5455-1990標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣工作面積為40mm×100mm，試樣的中心面暴露于溶液中，其他部分用玻璃膠封住，溶液體系為234g/L氯化鈉+50 g/L硝酸鉀+6.5mL/L硝酸，溶液的面積容積比為20mL/cm2，浸泡48h后將試驗(yàn)取出觀察腐蝕情況，并據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定剝落等級(jí)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 合金成分設(shè)計(jì)

表1所示為6005A合金原有成分和新成分，與原有6005A成分相比，新成分下對(duì)Cu進(jìn)行了嚴(yán)格控制，并適當(dāng)降低了Mg、Si的含量。

表1 6005A合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

2.2 熔鑄工藝

表2 熔鑄工藝參數(shù)

采用45噸蓄熱式天然氣燃?xì)鉅t熔煉，使用低含量的中間合金，熔體溫度控制在730-750℃，保證合金元素充分熔解、合金化。采用三級(jí)熔體凈化技術(shù)，在熔煉爐、靜置爐用氬氣噴吹精煉劑對(duì)熔體凈化精煉，精煉時(shí)間15分鐘，精煉劑用量1.5Kg/t；采用在線(xiàn)式三轉(zhuǎn)子除氣機(jī)對(duì)熔體進(jìn)行二次除氫、除渣處理，除氣機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速500r/min，工作時(shí)氬氣用量5L/min；在過(guò)濾箱中安裝40ppi陶瓷過(guò)濾板，進(jìn)行過(guò)濾。獲得化學(xué)成分符合要求，且純潔度高的熔體。

規(guī)格φ458mm的鑄錠采用同水平熱頂半連續(xù)鑄造鑄錠，鑄造時(shí)采用φ330mm油氣滑鑄造法，因?yàn)橛蜌饣T造可以避免低熔點(diǎn)偏析、冷隔，鑄造過(guò)程中匹配鑄造溫度、鑄造速度、冷卻水量，合理調(diào)整鑄造初始速度、初始水量，控制鑄造加速斜坡長(zhǎng)度，獲得組織均勻細(xì)小、表面質(zhì)量良好的鑄棒。

2.3 均勻化工藝

圖1 均勻化冷卻曲線(xiàn)

鑄錠采用雙級(jí)時(shí)效，低溫消除低熔點(diǎn)非平衡共晶體，消除枝晶偏析，高溫改變高熔點(diǎn)難溶相的形態(tài)和數(shù)量，使鑄錠的熱加工性能顯著提高，并同時(shí)提高了合金的剝落腐燭性能。均勻化工藝為540℃＊200min+575℃＊260min。對(duì)均質(zhì)爐進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其溫度曲線(xiàn)如圖1所示，均按設(shè)定溫度進(jìn)行。鑄棒經(jīng)均勻化處理后，先風(fēng)冷，避免溫度高快速冷卻導(dǎo)致鑄棒裂紋的產(chǎn)生，后采用水冷快速冷卻，保證鑄棒中生成大量細(xì)小Mn、Cr化合物質(zhì)點(diǎn)，在擠壓過(guò)程中有效的抑制再結(jié)晶，降低型材的粗晶層厚度；同時(shí)保證鑄棒中Mg2Si相的尺寸和數(shù)量，使Mg2Si相在擠壓過(guò)程中溶解，提高型材的力學(xué)性能[2-3]。

2.4 擠壓工藝

圖2 LC13-397斷面圖

以LC13-397斷面為例，如圖2所示，進(jìn)行擠壓對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)型材斷面尺寸及合金的特性，在70MN機(jī)臺(tái)開(kāi)展擠壓生產(chǎn)。為保證型材的可擠壓型，提升型材的剝落腐蝕性能，并保證型材綜合性能，采用高溫低速擠壓，鋁棒溫度控制在520±10℃，模具溫度控制在490±10℃，擠壓速度為1±0.5m/min。確保型材的出口溫度大于490℃，進(jìn)行快速冷卻，保證型材的在線(xiàn)淬火速率達(dá)到300℃/min。最后，對(duì)經(jīng)在線(xiàn)淬火的型材進(jìn)行175℃＊8h的時(shí)效處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 剝落腐蝕性能

圖3 試樣經(jīng)剝落腐蝕后的試樣表面形貌

如圖3所示為(a)、(b)試樣經(jīng)剝落腐蝕后的表面形貌，(a)試樣表面腐蝕已經(jīng)輕微深入試樣表面，表面點(diǎn)蝕較嚴(yán)重，可判斷試樣剝落腐蝕等級(jí)為PB；(b)試樣表面腐蝕不嚴(yán)重，表面上有脫色現(xiàn)象，試樣表面的剝落腐蝕等級(jí)為N。

研究表明，合金的耐蝕性與第二相的形態(tài)和分布、晶界的組織狀態(tài)密切相關(guān)。因此，采用雙級(jí)均勻化處理，有效的消除改變難溶AlFeSi相的形態(tài)；擠壓型材時(shí)，保證型材的出口溫度，且經(jīng)在線(xiàn)淬火后采用快速冷卻，避免冷卻過(guò)程中粗大Mg2Si相的析出。結(jié)合生產(chǎn)效率、節(jié)約能源，6005A合金均采用欠時(shí)效處理，晶界析出相小且連續(xù)分布，晶間無(wú)沉淀析出帶(PFZ)較窄。其中Si過(guò)剩，在晶界處析出Si、AlFeSi等陰極相以及Mg2Si陽(yáng)極相，構(gòu)成了點(diǎn)蝕源。6005A合金中的Cu，產(chǎn)生陰極相CuAl2，并在晶界處析出，在腐蝕介質(zhì)的侵蝕下，加劇了晶界處陽(yáng)極相Mg2Si的優(yōu)先溶解。隨Cu含量的增加，合金中的CuAl2相的數(shù)量增加，相應(yīng)地增大了陰極相的面積，促使合金的腐蝕速度加快，導(dǎo)致合金的腐蝕程度惡化[4-5]。

6005A合金中主要合金元素為Mg、Si，適當(dāng)?shù)腗n、Cr抑制再結(jié)晶，一定的Cu提高型材的強(qiáng)度，并含有Fe雜質(zhì)。研究表明，F(xiàn)e、Mn、Cr含量增加，點(diǎn)蝕電位沒(méi)有變化；隨Cu含量的增加，合金中的CuAl2相的數(shù)量增加，相應(yīng)地增大了陰極相的面積，促使合金的腐蝕速度加快，導(dǎo)致合金的腐蝕程度惡化。因此，6005A合金中嚴(yán)格控制Cu的含量，并適當(dāng)?shù)慕档土薓g、Si的含量，有效的提升了型材的剝落腐蝕性能。

3.2 綜合性能

3.2.1 金相組織

圖4 型材壁和內(nèi)筋處的粗晶層厚度

根據(jù)客戶(hù)技術(shù)協(xié)議要求，型材的顯微組織無(wú)過(guò)燒，壁厚小于4mm的空心和空心型材再結(jié)晶區(qū)的粗晶層厚度總量不得超過(guò)型材壁厚的2/3。LC13-397斷面的壁厚為2.7mm，內(nèi)筋厚度為2.5mm。如圖4所示為L(zhǎng)C13-397斷面型材壁及內(nèi)筋處的粗晶層厚度，型材壁處的粗晶層厚度為422um，內(nèi)筋處的粗晶層厚度為363um，滿(mǎn)足高速列車(chē)車(chē)體型材的要求。

3.2.2 力學(xué)性能

表3 LC13-397斷面力學(xué)性能

高速列車(chē)車(chē)體型材要求，型材的抗拉強(qiáng)度不得低于255MPa、屈服強(qiáng)度不得低于215 MPa、延伸率不得低于6%。表3所示為L(zhǎng)C13-397斷面的力學(xué)性能值，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均明顯高于客戶(hù)技術(shù)協(xié)議的要求。

圖5 180°壓彎后試樣表面狀態(tài)

3.2.3 彎曲性能彎曲性能要求，試樣彎到180°后試樣自由邊緣2mm以外的彎曲外表面不允許產(chǎn)生任何裂紋。如圖5所示為L(zhǎng)C13-397斷面的彎曲后試樣，彎曲180°后，型材表面無(wú)裂紋，彎曲性能合格。

3.2.4 疲勞性能

表4 疲勞試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)要求，疲勞試驗(yàn)應(yīng)力為110MPa，應(yīng)力比為0.1，循環(huán)1000萬(wàn)次未斷裂，疲勞性能合格。

3.2.5 焊接性能

圖6 焊接試樣宏觀狀態(tài)

圖7 焊接試樣經(jīng)著色滲透后狀態(tài)

焊接采用氬氣面保護(hù)的自動(dòng)MIG焊接，觀察焊接后試樣，目測(cè)無(wú)明顯缺陷，采用著色法進(jìn)行滲透探傷，焊接內(nèi)部無(wú)缺陷，如圖6、7所示。

4 結(jié)論

6005A合金中嚴(yán)格控制Cu含量，適當(dāng)降低Mg、Si含量，可有效改善型材的剝落腐蝕性能。型材生產(chǎn)過(guò)程中，嚴(yán)格的熔鑄工藝操作、雙級(jí)均勻化工藝，獲得純凈度高、組織均勻的鑄棒；擠壓型材的出口溫度控制以及在線(xiàn)快速冷卻都有效的保證了型材的綜合性能。