动车用大宽厚比铝合金挤压工艺研究

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摘要:对大宽厚比高速动车用6008铝合金蒙皮型材的挤压工艺、合金成分、铸棒的均质制度、铸锭加热温度、挤压速度及拉伸率等几个方面进行了深入研究。结果表明，通过合理的模具设计，铸棒均质制度以及合理的铸锭加热温度，挤压速度等工艺控制，可以生产出屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥280MPa，断后延伸率≥10%，产品组织细小均匀，产品无低倍及表面缺陷的产品。

关键词:大宽厚比;动车蒙皮;6008铝合金;挤压工艺

为了节能减排以及轻量化发展，高速动车组减少车身整体重量成为发展趋势。近年来铝合金高速动车领域应用比重逐年上升［1－2］。6008铝合金属于可热处理强化的Al－Mg－Si系中高强度合金，没有应力腐蚀开裂倾向［3］。6008铝合金是瑞士铝业协会在国际上注册的合金，是由6005A合金发展而来的，但性能比6005A优异，被欧洲铝业协会确定为“车体型材合金”，具有良好的塑性及优良的挤压加工性能，可挤压复杂壁薄的中空型材［4－6］。6008合金比6005A合金成分增加了0．05%～0．20%的钒元素。钒元素的加入能够细化铸造组织，提高再结晶温度，改善时效行为使制品强度、韧性提高，塑性耐蚀性得以改善。高速动车组车体前端蒙皮型材传统工艺由4mm厚的铝合金板材冲压成形，在冲压拉伸过程中容易产生拉伸不足，回弹和型材空间扭曲变形等缺陷，严重影响蒙皮质量。采用一次挤压成型生产工艺，省去了现有技术中的冲压工序，节约了工时成本，同时提高了产品合格率。高速动车蒙皮型材由于宽厚比大导致挤压比大，挤压生产时易产生起浪扭曲等缺陷，铸锭加热温度，挤压速度控制不当，容易导致产品组织性能不合格，从而影响后续高速动车车头司机室组装使用。本文主要研究挤压工艺对宽厚比大的6008铝合金型材组织性能以及表面质量的影响。

1试验材料与方法

1．1试验材料

本次试验采用型号为ZWGD－SJ－10，型材断面见图1，型材壁厚4mm，最大宽度795mm，挤压吨位为12500T，挤压比为80。此次挤压铸锭采用6008合金成分设计见表1。Mg、Si元素形成Mg2Si为6008合金主要强化相，过剩Si有利于合金的强化。Cr元素形成的(CrFe)Al7和(CrMn)Al6，可以阻碍再结晶晶粒长大，进而细化晶粒。但含量过高时会形成粗大第二相，提高淬火敏感性，故控制w(Cr)为0．15%～0．20%。Mn元素可以提高合金再结晶温度，达到细化晶粒作用。形成的(FeMn)Al6可以减少Fe的有害影响，还可以提高合金韧性与耐腐蚀性。控制w(Mn)为0．20%～0．25%为宜。少量Cu可以起到补充强化作用，显著改善合金在热加工时的塑性，控制w(Cu)为0．10%～0．15%。元素在铝熔体中形成的VAl10化合物可以促进ɑAl形核，提高再结晶温度，使产品再结晶晶粒细化，塑性韧性提高，控制w(V)为0．10%～0．15%。

1．2试验方法

铸棒采用纯铝添加微量元素进行熔炼，经半连续铸造后，随着均匀化时间延长，铸锭晶间枝晶组织逐渐减少，韧性增加［6］。故本次采用铸棒570℃×8h均质处理后车皮，在12500T卧式挤压机上进行挤压。模具采用扩展面积的设计，加大了模具两侧的供料面积及扩展面积，从而达到增加模具两侧供料的目的，使产品挤出时中间部位与两侧铝的流速均匀，防止局部流速过快产生变形扭曲等缺陷。本次挤压，铸锭温度为490℃～530℃，挤压速度2．0m/min～3．0m/min，采用风冷生产，拉伸量0．5%～1.5%。具体挤压工艺参数见表2。本次试验共进行4支铸锭挤压，由于型材壁厚较薄蓄热性差，易导致进入有效淬火区温度过低，型材宽厚比大采用强淬火方式易使型材产生变形。故采用可调节式风箱风冷淬火装置，在出口处加挡风板防止温度过低。由于挤压比过大，在较小挤压杆速状态下，挤压制品仍具有较快挤压速度，故考虑挤压杆挤压速度，挤压制品速度设置为2．0m/min起。各挤压工艺严格按要求执行，挤压后型材进行175℃×8h的热处理制度。切取尾端4m处低倍料样进行碱性溶液浸泡处理。

2试验结果及分析

2．1表面质量及低倍检测

挤压生产在线拉伸后型材表面质量低倍性能检验见表3。型材挤出后表面均有起浪缺陷产生，但经过拉伸矫直后表面质量均可满足客户要求，但在壁厚测量过程中1号、3号铸锭挤压制品出现局部壁薄现象。分析得出拉伸率过大容易导致宽厚比大的型材产生局部壁薄现象。1号、3号挤压制品经低倍检测后出现缩尾缺陷，2号、4号挤压制品低倍检测合格。分析得出，挤压宽厚比大型材时模具两端供铝量与心部存在差异，而挤压速度增快时会放大此影响导致制品两侧与心部流速更为不均匀，使挤压末期模具死区金属不易充分切除从而导致缩尾的产生。

2．2力学性能检测

对4支铸锭挤出的型材进行力学取样，使用日本岛津电子万能试验机进行力学性能试验，试样尺寸按GB/T228．1－2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》中要求进行加工，检测结果见表4。对比1号、2号与3号、4号铸锭挤出型材力学性能，2号产品力学性能高于1号产品，4号产品力学性能高于3号产品。分析得出，在棒温相同情况下，采用风冷淬火时挤压速度过快易导致产品淬火不充分，进而影响力学性能。对比1号、3号与2号、4号铸锭挤出型材力学性能，1号产品力学性能略高于3号产品，2号产品力学性能略高于4号产品。分析得出，在挤压速度相同情况下，采用风冷淬火时，高棒温可以提高力学性能但影响不大。

2．3组织晶粒度检测

对4支铸棒挤出的型材进行高倍组织观察以及晶粒度检测，如图2、图3所示。对比1号～4号型材高倍组织形貌可知，4种铸棒挤出型材的组织都比较均匀，且第二相析出数量相当，故力学性能相差不大。对比1号～4号铸棒挤出型材晶粒度检测结果可知，4种基体晶粒度均为7级，符合基体平均晶粒度≥3级要求。皮质层晶粒度符合法国标准NFA04－503铝合金晶粒度测量方法中的要求，但皮质层晶粒度可以明显看出，1号铸棒挤出型材皮质层晶粒粗大，2号晶粒度稍大于3号，4号晶粒最小。分析得出，在高温高速挤压下，型材表面与模具摩擦较大，在高温驱动下晶粒异常长大更为明显。

3结论

(1)宽厚比大的6008合金挤压型材采用棒温490℃～510℃，挤压速度2．0m/min～2．5m/min，风冷淬火，拉伸矫直率控制0．5%～1．0%的工艺制度，可以生产出屈服强度≥240MPa，抗拉强度≥280MPa，断后延伸率≥10%，组织细小均匀，产品无低倍及表面缺陷的产品。(2)6008合金采用风冷淬火时，棒温在490℃以上时增加棒温对产品力学性能影响不大。为得到更高力学性能产品应合理控制挤压速度，保证淬火充分。(3)挤压宽厚比大的型材时，缩尾长度有随着挤压速度增加而加长的趋势。(4)6008合金基体晶粒度受铸棒温度，挤压速度影响不大，但皮质层晶粒随着棒温增加，挤压速度增大显著增大，并且温度影响大于速度影响。

作者:何金 李美玲 杨明 高彤 崔家铭 方宇 单位:辽宁忠旺集团有限公司