擠壓工藝與模具結(jié)構(gòu)對(duì)6005A軌道型材粗晶的影響

何 金，董 政，石 嬌，金文福，石 玲，賁 放

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司忠旺研究院，遼陽(yáng) 111003）

0 前言

6005A鋁合金具有優(yōu)良的擠壓性、焊接性和耐腐蝕性，可以通過(guò)在線風(fēng)冷或水霧冷后人工時(shí)效獲得中等強(qiáng)度，并可擠壓出斷面形狀復(fù)雜的寬扁薄壁空心型材。由于其優(yōu)異的綜合性能，已成為軌道交通車輛制造中的重要材料[1-3]。粗大晶粒及粗晶層是擠壓制品的一種組織缺陷，粗大晶粒組織能夠引起制品的力學(xué)性能降低、拉彎加工出現(xiàn)橘皮或斷裂、表面質(zhì)量粗糙、陽(yáng)極氧化表面不美觀、降低產(chǎn)品的疲勞性能等問(wèn)題。粗晶問(wèn)題是行業(yè)內(nèi)最難解決的問(wèn)題之一。隨著軌道車輛制造商對(duì)列車安全和壽命要求的不斷提高，對(duì)高速列車和地鐵用6005A鋁合金組織和性能尤其是型材粗晶層要求也越來(lái)越高，迫使軌道交通用鋁型材供應(yīng)商不斷更新生產(chǎn)工藝[4-5]。隨著軌道車輛高速化和輕量化的發(fā)展，大截面、薄壁、中空鋁合金型材的研制成功，給粗晶控制帶來(lái)了更大難度。型材表面及自由端位置的粗晶控制，尤其是型材自由端位置的粗晶控制是困擾軌道交通型材產(chǎn)品生產(chǎn)控制的難題。擠壓型材粗晶層的控制主要集中在合金成分配比、鑄造工藝、均勻化工藝、擠壓工藝等幾個(gè)方面。本文在優(yōu)化合金成分配比、鑄造工藝及均勻化工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合6005A軌道交通用型材的實(shí)際生產(chǎn)情況，研究了擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)對(duì)型材粗晶層厚度的影響，為同行提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料采用某公司半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的直徑為360 mm的6005A鋁合金鑄錠，成分符合EN 573-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，詳見(jiàn)表1。

表1 6005A鋁合金鑄錠化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用5 500 t擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，擠壓比為24，擠壓方案見(jiàn)表2，擠壓型材采用在線水霧冷卻，180℃×8 h人工時(shí)效處理。擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖1所示，其中圖1（b）是在圖1（a）的基礎(chǔ)上增加型材自由端前室的面積，使前室與自由端形成一定角度，增大了自由端位置的供鋁量。在型材尾部4 m處取樣，采用蔡司AXI0光學(xué)顯微鏡對(duì)型材粗晶層進(jìn)行顯微組織觀察。型材橫截面及粗晶層檢測(cè)位置示意圖見(jiàn)圖2。

表2 6005A鋁合金型材擠壓工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)

圖1 擠壓模具結(jié)構(gòu)圖

圖2 型材橫截面及高倍檢測(cè)位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

分別采用方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，并分別取圖2的1#表面位置和2#自由端位置進(jìn)行金相晶粒度觀察。金相檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。從圖3和圖4中可知，方案Ⅰ型材的1#表面位置表層出現(xiàn)一層粗大晶粒組織，粗大晶粒在擠壓方向被壓扁和拉長(zhǎng)，基體為纖維狀組織；方案Ⅱ、方案Ⅲ型材的表面位置未發(fā)生再結(jié)晶，表層和基體均為纖維狀組織。方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擠出型材的2#自由端位置均出現(xiàn)粗大晶粒，粗晶厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，方案Ⅰ和方案Ⅱ的粗晶檢驗(yàn)結(jié)果不合格，方案Ⅲ的檢驗(yàn)結(jié)果合格。方案Ⅰ和方案Ⅱ相比，在擠壓模具結(jié)構(gòu)相同的情況下，隨著擠壓溫度和速度的下降，方案Ⅱ粗晶厚度減小。方案Ⅱ和方案Ⅲ相比，在擠壓參數(shù)相同的情況下，進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理后，方案Ⅱ的粗晶環(huán)厚度明顯降低，且全部合格。

圖3 不同擠壓方案下型材表面的高倍粗晶組織

圖4 不同擠壓方案下型材自由端的高倍粗晶組織

表3 不同擠壓方案下型材自由端粗晶層厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 分析與討論

擠壓型材晶粒度大小與合金成分、變形程度、擠壓溫度、速度、模具結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。由于6005A合金成分中添加了Mn、Cr元素，這些元素在鋁合金的溶解度較低，在均勻化過(guò)程中析出細(xì)小的彌散相，這些細(xì)小的彌散相能夠阻止位錯(cuò)的滑移，阻礙再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大，起到抑制晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒、提高再結(jié)晶溫度的作用。由于模具形狀約束、坯料和擠壓筒壁之間的劇烈摩擦作用造成金屬流動(dòng)不均勻，外層金屬流動(dòng)滯后于內(nèi)層金屬，在摩擦力和附加應(yīng)力作用下外層金屬所受的變形程度比內(nèi)層大，晶粒受到嚴(yán)重的剪切變形，晶粒和晶界化合物遭到嚴(yán)重破壞，晶粒內(nèi)部和晶粒間積累較高的畸變能，從而使外層金屬再結(jié)晶溫度低，容易發(fā)生再結(jié)晶并長(zhǎng)大。無(wú)潤(rùn)滑正向擠壓時(shí)，錠坯表面與擠壓筒的強(qiáng)烈摩擦使得外層金屬的變形程度比中心區(qū)高幾十倍，同時(shí)外層金屬受到較大的剪切變形，晶粒遭到較大的破碎，使內(nèi)能增高，再結(jié)晶溫度降低，型材邊部易形成粗晶組織[6-7]。因此6005A型材采用上述不同工藝生產(chǎn)的型材的基體均為纖維狀組織，未發(fā)生再結(jié)晶，僅變形程度大，在粗大晶粒的邊部和自由端位置易出現(xiàn)粗大晶粒。

擠壓型材的變形程度與擠壓比有關(guān)，此外，擠壓溫度、擠壓速度以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也影響晶粒的大小。

3.1 擠壓溫度對(duì)6005A合金型材粗晶的影響

鋁合金擠壓過(guò)程中，金屬在擠壓筒內(nèi)部承受壓應(yīng)力狀態(tài)，隨著變形量的增加，金屬內(nèi)部晶粒不斷被壓扁和拉長(zhǎng)。低溫?cái)D壓時(shí)，擠壓筒和鑄錠溫度相差不大，鑄錠表層和內(nèi)部在擠壓過(guò)程中的變形抗力無(wú)明顯差距，當(dāng)擠壓型材通過(guò)模具工作帶時(shí)變形不劇烈，型材表層金屬畸變能不會(huì)迅速升高，從而不會(huì)加劇晶粒的形核和長(zhǎng)大，降低粗晶層的形成。當(dāng)擠壓鑄錠溫度升高時(shí)，由于金屬的變形抗力下降，從而導(dǎo)致金屬變形不均勻性增加，制品邊部變形量大于中間部位，邊部產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變能，加速晶界遷移，形成粗晶。同時(shí)，高溫?cái)D壓時(shí)，金屬通過(guò)模具工作帶促進(jìn)型材邊部第二相的析出和聚集，降低第二相粒子對(duì)晶界的釘扎作用，易于形成粗晶組織。本試驗(yàn)中，方案Ⅰ和Ⅱ的化學(xué)成分相同，但是方案Ⅱ的擠壓溫度低于方案Ⅰ，因此粗晶的厚度下降。

3.2 擠壓速度對(duì)6005A合金型材粗晶的影響

擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋D壓速度低，金屬與擠壓筒和模具工作帶之間產(chǎn)生摩擦力，金屬變形不劇烈，產(chǎn)生的熱能在擠壓過(guò)程中有足夠的時(shí)間逸散，金屬表面溫升小，能量聚集少，晶粒不會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大形成粗晶組織。擠壓速度越快，材料的應(yīng)變速率越高，金屬與?？坠ぷ鲙еg的摩擦力使外層金屬的流動(dòng)大于內(nèi)層金屬，外層金屬的畸變能增加，外層金屬內(nèi)部亞晶粒周邊的位錯(cuò)密度隨之變高，于是材料的變形儲(chǔ)能也就越高。變形儲(chǔ)能是再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，變形儲(chǔ)能越高，越容易發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶的晶粒異常長(zhǎng)大便形成粗晶組織[5]。同時(shí)，由于擠壓速度快，擠壓筒內(nèi)金屬塑性變形產(chǎn)生的熱量逸散速度慢，熱量迅速聚集，也易形成粗晶組織。

本試驗(yàn)中，方案Ⅰ和Ⅱ的化學(xué)成分相同，但是方案Ⅱ的擠壓速度低于方案Ⅰ，因此其粗晶環(huán)的厚度明顯下降。

3.3 模具結(jié)構(gòu)對(duì)6005A合金型材粗晶的影響

金屬的再結(jié)晶溫度與金屬的變形程度有關(guān)，金屬的預(yù)變形程度越大，再結(jié)晶的溫度就越低。這是由于預(yù)變形程度越大，金屬晶粒的破碎程度便越大，產(chǎn)生的位錯(cuò)缺陷就越多，組織的不穩(wěn)定性就越明顯，因而會(huì)在較低的溫度下開(kāi)始再結(jié)晶。再結(jié)晶后的金屬一般都得到小而均勻的等軸晶粒，如溫度繼續(xù)升高，再結(jié)晶后的晶粒又以相互吞并的方式長(zhǎng)大，因此造成產(chǎn)品出現(xiàn)粗晶的現(xiàn)象[8]。

擠壓方案Ⅱ、Ⅲ的對(duì)比分析表明，在擠壓溫度和速度等工藝參數(shù)相同的情況下，適當(dāng)增加型材自由端位置模具前室的面積，并且使前室與自由端位置形成一定角度，增大自由端位置的供鋁量，有利于促進(jìn)鋁的流動(dòng)速度，減小鋁合金在自由端位置的摩擦阻力和變形程度。

通過(guò)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的方式，減小成形過(guò)程中的摩擦阻力和變形程度，進(jìn)而細(xì)化晶粒度，使方案Ⅲ的粗晶層厚度得到明顯改善。

4 結(jié)論

（1）型材的表面和自由端位置容易出現(xiàn)粗晶，通過(guò)調(diào)整擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)能夠降低這兩處的粗晶層厚度。

（2）適當(dāng)降低擠壓鑄棒溫度和擠壓速度，當(dāng)鑄錠溫度為460～480℃，擠壓速度為1.5～1.7 m/min時(shí)，能夠減小粗晶層厚度。

（3）通過(guò)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，增加自由端前室面積，并且使前室與自由端形成一定角度，增大自由端供鋁量，減小摩擦阻力和變形程度，能夠有效改善型材自由端粗晶厚度。