高速動車用大寬厚比6008鋁合金擠壓工藝研究

何 金，李美玲，楊 明，高 彤，崔家銘，方 宇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

為了節(jié)能減排以及輕量化發(fā)展，高速動車組減少車身整體重量成為發(fā)展趨勢。近年來鋁合金高速動車領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂傾向[3]。6008鋁合金是瑞士鋁業(yè)協(xié)會在國際上注冊的合金，是由6005A合金發(fā)展而來的，但性能比6005A優(yōu)異，被歐洲鋁業(yè)協(xié)會確定為“車體型材合金”，具有良好的塑性及優(yōu)良的擠壓加工性能，可擠壓復(fù)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(xì)化鑄造組織，提高再結(jié)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(tǒng)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(chǎn)生拉伸不足，回彈和型材空間扭曲變形等缺陷，嚴(yán)重影響蒙皮質(zhì)量。采用一次擠壓成型生產(chǎn)工藝，省去了現(xiàn)有技術(shù)中的沖壓工序，節(jié)約了工時成本，同時提高了產(chǎn)品合格率。高速動車蒙皮型材由于寬厚比大導(dǎo)致擠壓比大，擠壓生產(chǎn)時易產(chǎn)生起浪扭曲等缺陷，鑄錠加熱溫度，擠壓速度控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致產(chǎn)品組織性能不合格，從而影響后續(xù)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(zhì)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(shè)計見表1。

圖1 型材斷面Fig.1 Profile section

表1 6008合金成分設(shè)計(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

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(jié)晶晶粒長大，進而細(xì)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(jié)晶溫度，達到細(xì)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(jié)晶溫度，使產(chǎn)品再結(jié)晶晶粒細(xì)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(jīng)半連續(xù)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(zhì)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(shè)計，加大了模具兩側(cè)的供料面積及擴展面積，從而達到增加模具兩側(cè)供料的目的，使產(chǎn)品擠出時中間部位與兩側(cè)鋁的流速均勻，防止局部流速過快產(chǎn)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(fēng)冷生產(chǎn)，拉伸量0.5%～1.5%。具體擠壓工藝參數(shù)見表2。

表2 擠壓生產(chǎn)工藝參數(shù)

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(dǎo)致進入有效淬火區(qū)溫度過低，型材寬厚比大采用強淬火方式易使型材產(chǎn)生變形。故采用可調(diào)節(jié)式風(fēng)箱風(fēng)冷淬火裝置，在出口處加擋風(fēng)板防止溫度過低。由于擠壓比過大，在較小擠壓桿速狀態(tài)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(shè)置為2.0m/min起。各擠壓工藝嚴(yán)格按要求執(zhí)行，擠壓后型材進行175℃×8 h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(jié)果及分析

2.1 表面質(zhì)量及低倍檢測

擠壓生產(chǎn)在線拉伸后型材表面質(zhì)量低倍性能檢驗見表3。型材擠出后表面均有起浪缺陷產(chǎn)生，但經(jīng)過拉伸矯直后表面質(zhì)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(xiàn)局部壁薄現(xiàn)象。分析得出拉伸率過大容易導(dǎo)致寬厚比大的型材產(chǎn)生局部壁薄現(xiàn)象。

表3 表面質(zhì)量及低倍檢測

1號、3號擠壓制品經(jīng)低倍檢測后出現(xiàn)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(dǎo)致制品兩側(cè)與心部流速更為不均勻，使擠壓末期模具死區(qū)金屬不易充分切除從而導(dǎo)致縮尾的產(chǎn)生。

2.2 力學(xué)性能檢測

對4支鑄錠擠出的型材進行力學(xué)取樣，使用日本島津電子萬能試驗機進行力學(xué)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(jié)果見表4。對比1號、2號與3號、4號鑄錠擠出型材力學(xué)性能，2號產(chǎn)品力學(xué)性能高于1號產(chǎn)品，4號產(chǎn)品力學(xué)性能高于3號產(chǎn)品。分析得出，在棒溫相同情況下，采用風(fēng)冷淬火時擠壓速度過快易導(dǎo)致產(chǎn)品淬火不充分，進而影響力學(xué)性能。

表4 力學(xué)檢測實測值

對比1號、3號與2號、4號鑄錠擠出型材力學(xué)性能，1號產(chǎn)品力學(xué)性能略高于3號產(chǎn)品，2號產(chǎn)品力學(xué)性能略高于4號產(chǎn)品。分析得出，在擠壓速度相同情況下，采用風(fēng)冷淬火時，高棒溫可以提高力學(xué)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(shù)量相當(dāng)，故力學(xué)性能相差不大。

圖2 顯微組織檢測結(jié)果Fig.2 Test results of microstructure

圖3 晶粒度檢測結(jié)果Fig.3 Test results of grain size

對比1號～4號鑄棒擠出型材晶粒度檢測結(jié)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(zhì)層晶粒度符合法國標(biāo)準(zhǔn)NF A04-503鋁合金晶粒度測量方法中的要求，但皮質(zhì)層晶粒度可以明顯看出，1號鑄棒擠出型材皮質(zhì)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(qū)動下晶粒異常長大更為明顯。

3 結(jié)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(fēng)冷淬火，拉伸矯直率控制0.5%～1.0%的工藝制度，可以生產(chǎn)出屈服強度≥240MPa，抗拉強度≥280MPa，斷后延伸率≥10%，組織細(xì)小均勻，產(chǎn)品無低倍及表面缺陷的產(chǎn)品。

(2)6008合金采用風(fēng)冷淬火時，棒溫在490℃以上時增加棒溫對產(chǎn)品力學(xué)性能影響不大。為得到更高力學(xué)性能產(chǎn)品應(yīng)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(zhì)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。