CN104624684A - 一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，涉及铝合金加工技术领域。本发明的挤压生产工艺包括铸锭加热、模具加热、挤压筒加热、挤压生产、在线淬火、中断、拉伸矫直、人工时效等工序。本发明通过控制铸锭温度、模具温度、挤压筒温度、挤压速度、延伸率、时效温度和时效时间等参数，提升高铁用Al-Zn-Mg合金车体型材的综合性能，控制力学性能的均匀性，提高工业生产的稳定性，从而提高高铁车体用型材产品的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，尤其是一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺。
背景技术
Al-Zn-Mg合金强度高、焊接性能优良，已被广泛应用于轨道交通、军用设施、航空航天等领域。采用Al-Zn-Mg合金作为高铁车体用型材，不仅可以保证车体的使用强度还能使车重大幅降低，能有效降低能耗。
Al-Zn-Mg属于中高强铝合金，具有较高的变形抗力，为保证挤压的顺利进行，工业生产中通常需要提高挤压温度、或减小铸锭长度、或降低挤压速度等办法来降低挤压力，保证型材更多的挤出长度。然而，提高挤压温度会导致再结晶体积分数增加，综合性能下降，而减小铸锭长度和降低挤压速度则会导致生产效率低下。降低挤压温度可以一定程度上提高产品的综合性能，但合金的变形抗力显著增加，容易导致挤不动或模具寿命低的问题。挤压温度由挤压筒温度、铸锭加热温度、模具温度共同决定。
Al-Zn-Mg合金通过人工时效可以使固溶原子析出形成弥散分布的强化相，提高型材的强度，T6峰值时效状态的合金强度最高，但耐应力腐蚀性能较差；工业上常常采用T73过时效状态来提高耐应力腐蚀性能，但强度下降明显；1974年，以色列提出一种三级时效工艺——回归再时效处理工艺，可以使晶内组织与T6态相似，而晶界组织与T73态相似，使合金获得了较高的强度和良好的耐应力腐蚀性能。但工艺受专利保护，一直处于保密状态，且对设备的要求非常高，工业生产的生产效率非常低，目前也仅用于航空某几个重要铝合金部件的生产。
本发明提出一种关于高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压方法，通过协调各个挤压过程的工艺，确保生产稳定的同时，提高型材的成品率和综合性能。提出一种多级时效工艺，在不增加三级时效热处理设备的情况下，综合提高Al-Zn-Mg合金的强度和耐应力腐蚀性能。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对传统挤压工艺的上述不足，提供一种挤压生产工艺，提升高铁用车体型材的综合性能，提高工业生产的稳定性，从而提高高铁车体用型材产品的生产效率。采用工业化的时效设备，通过改进时效工艺，使其同时具有良好的强度和耐应力腐蚀性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，包括如下步骤：
铸锭加热：选用长度为500mm-2000mm的铸锭，加热使其头尾温差在5-50℃之间，铸锭在加热炉中的加热温度控制在450-510℃；
模具加热：模具在加热炉中加热470-520℃，保温3-40h；
挤压筒加热：挤压筒温度控制在400-470℃；
挤压生产：铸锭和模具加热完成、挤压筒到温之后，将加热后的铸锭上模进行挤压，挤压速度控制在0.5-4.5m/min；
在线淬火：保证型材淬火区入口温度≥450℃，淬火方式可选择空冷、强风、水雾冷却，淬火冷却速率为10-100℃/min；
中断：中间换锭时间不超过40min；
拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在0.3％-3.0％；
人工时效：采取双级时效制度，第一级时效为15℃-120℃，时间为2h-480h，第二级时效温度为120℃-180℃，时间为2h-48h。
进一步地，在所述铸锭加热的步骤中，加热使铸锭的头尾温差在15-45℃之间。
进一步地，在所述挤压生产的步骤中，控制挤压速度为1-3m/min。
进一步地，在所述拉伸矫直的步骤中，在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在1％-2.5％；
进一步地，在所述人工时效的步骤中，采取双级时效制度，第一级时效为20℃-100℃，时间为24h-240h，第二级时效温度为130℃-170℃，时间为5h-40h。
在对铝合金铸锭进行挤压时会产生热效应，热效应大小和铸锭的温度、挤压速度、挤压比的大小有关。要提高铝合金的综合性能，在铸锭的挤压过程中，必须正确选择挤压时的工艺参数，包括挤压时的温度、挤压速度及变形程度等。温度包括:挤压时的温度、挤压时摩擦所引起的上升的温度、挤压筒的温度，模具的温度、铸锭的温度、时效温度等一系列温度。
本发明的挤压工艺合理选择铸锭加热温度，通过梯度加热的方法使铸锭的头尾温差较小，克服了传统生产中由于铸锭各部分有较大温差，从而在加工过程中使铸锭合金组织的不均匀的缺点。同时，通过确定合适的铸锭温度、模具温度、挤压筒温度，并调节挤压速度，使热效应产生热量与模具导热引起的热损失基本上互相抵消,避免因毛坯局部过热而造成粗晶组织，保证足够均匀的变形条件。
Al-Zn-Mg铝合金主要的时效方式是单级峰值时效和双级时效工艺。峰值时效时合金具有高强度、低韧性和耐腐蚀性能很差的特点，在实际应用过程中存在很大的局限性。采用双级时效能使合金得到断续的晶界组织和弥散的晶内析出相，从而具有较高的强度同时显著提高韧性和耐腐蚀性。在双级时效的过程中，关键在于控制好二级时效时间和温度来改善材料的性能。本发明控制双级时效的时间和温度，调节晶内、晶界的析出相，提高合金的综合性能。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过合理选取铸锭加热温度、模具温度、挤压筒温度，并调节挤压速度，保证挤压过程的稳定及型材的综合性能。
2、本发明通过合理调整挤压工艺，降低挤压力，通过拉伸提高型材的长度，实现多倍定尺的生产，从而提高成品率。
3、本发明通过严格控制挤压过程停顿时间以及铸锭上机前停顿时间，保证挤压过程温度的一致性，保证产品的稳定性。
4、本发明通过采用双级时效热处理，控制双级时效的时间和温度，调节晶内、晶界的析出相，使合金同时具有良好的强度和耐应力腐蚀性能，提高合金的综合性能。
具体实施方式
下面结合一些实施例和对比例对本发明作进一步说明，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
取高铁车体用Al-Zn-Mg合金铸锭进行挤压加工，具体步骤为：
铸锭加热：选用长度为500mm的铸锭，加热使其头尾温差为5℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在450℃；
模具加热：模具在加热炉中加热至470℃，保温3h；
挤压筒加热：挤压筒温度控制在400℃；
挤压生产：铸锭和模具加热完成、挤压筒到温之后，将加热后的铸锭上模进行挤压，挤压速度控制在0.5m/min；
在线淬火：保证型材淬火区入口温度为450℃以上，淬火方式可选择空冷、强风、水雾冷却，保温型材各个区域淬火均匀，淬火冷却速率为10℃/min；
中断：中间换锭时间控制为40min；
拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在0.3％；
人工时效：采取双级时效制度，第一级时效为15℃，时间为480h，第二级时效温度为120℃，时间为48h。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为392MPa，屈服强度335MPa，延伸率为19％，抗拉强度的标准差为3.4MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.0173。
实施例2
取高铁车体用Al-Zn-Mg合金铸锭进行挤压加工，具体步骤为：
铸锭加热：选用长度为2000mm的铸锭，加热使其头尾温差为50℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在510℃；
模具加热：模具在加热炉中加热520℃，保温40h；
挤压筒加热：挤压筒温度控制在470℃；
挤压生产：铸锭和模具加热完成、挤压筒到温之后，将加热后的铸锭上模进行挤压，挤压速度控制在4.5m/min；
在线淬火：保证型材淬火区入口温度为460℃以上，淬火方式可选择空冷、强风、水雾冷却，保温型材各个区域淬火均匀，淬火冷却速率为100℃/min；
中断：中间换锭时间为40min；
拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率为3.0％；
人工时效：采取双级时效制度，第一级时效为120℃，时间为2h，第二级时效温度为180℃，时间为2h。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为370MPa，屈服强度315MPa，延伸率为21％，其中抗拉强度的标准差为5.2MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.0457。
实施例3
取高铁车体用Al-Zn-Mg合金铸锭进行挤压加工，具体步骤为：
铸锭加热：选用长度为1000mm的铸锭，加热使其头尾温差为15℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在480℃；
模具加热：模具在加热炉中加热至500℃，保温20h；
挤压筒加热：挤压筒温度控制在450℃；
挤压生产：铸锭和模具加热完成、挤压筒到温之后，将加热后的铸锭上模进行挤压，挤压速度控制在1m/min；
在线淬火：保证型材淬火区入口温度为470℃，淬火方式可选择空冷、强风、水雾冷却，保温型材各个区域淬火均匀，淬火冷却速率为30℃/min；
中断：中间换锭时间为30min；
拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在1％；
人工时效：采取双级时效制度，第一级时效为20℃，时间为24h，第二级时效温度为130℃，时间为40h。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为382MPa，屈服强度324MPa，延伸率为20.5％，其中抗拉强度的标准差为3.7MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.0362。
实施例4
取高铁车体用Al-Zn-Mg合金铸锭进行挤压加工，具体步骤为：
铸锭加热：选用长度为1200mm的铸锭，加热使其头尾温差在45℃之间，铸锭在加热炉中的加热温度控制在480℃；
模具加热：模具在加热炉中加热480℃，保温24h；
挤压筒加热：挤压筒温度控制在430℃；
挤压生产：铸锭和模具加热完成、挤压筒到温之后，将加热后的铸锭上模进行挤压，挤压速度控制在3m/min；
在线淬火：保证型材淬火区入口温度470℃以上，淬火方式可选择空冷、强风、水雾冷却，保温型材各个区域淬火均匀，淬火冷却速率为60℃/min；
中断：中间换锭时间为30min；
拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在2.5％；
人工时效：采取双级时效制度，第一级时效为100℃，时间为240h，第二级时效温度为170℃，时间为5h。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为371MPa，屈服强度308MPa，延伸率为19.7％，其中抗拉强度的标准差为4.6MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.0211。
实施例5
本实施例与实施例3的不同之处在于在所述铸锭加热阶段，加热使其头尾温差为70℃，其他步骤和参数与实施例3相同。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为385MPa，屈服强度325MPa，延伸率为18.7％，其中抗拉强度的标准差为10.5MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.0760。
实施例6
本实施例与实施例3的不同之处在于在所述铸锭加热阶段，加热使其头尾温差为90℃，其他步骤和参数与实施例3相同。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为388MPa，屈服强度330MPa，延伸率为18.1％，其中抗拉强度的标准差为14.5MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.1021。
实施例7
本实施例与实施例4的不同之处在于在所述挤压生产阶段，控制挤压速度为5.5m/min，其他步骤和参数与实施例4相同。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为395MPa，屈服强度340MPa，延伸率为17.5％，其中抗拉强度的标准差为8.7MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.1207。
实施例8
本实施例与实施例4的不同之处在于在所述挤压生产阶段，控制挤压速度为6m/min，其他步骤和参数与实施例4相同。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为399MPa，屈服强度345MPa，延伸率为16.4％，其中抗拉强度的标准差为10.4MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.1521。
实施例9-13
实施例9-12与实施例2的不同之处在于在所述人工时效阶段采取双级时效制度，第一级时效为120℃，时间为2h，第二级时效温度为180℃，时间分别为12h、24h、36h、48h、58h，其他步骤和参数与实施例2相同。
获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度分别为391MPa、376MPa、360MPa、355MPa、349MPa，屈服强度分别为334MPa、328MPa、311MPa、305MPa、287MPa，延伸率分别为19.1％、19.4％、19.8％、20.5％、21％，抗拉强度的标准差为4.2MPa、4.6MPa、5MPa、5.4MPa、3.9MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值分别为0.0351、0.0259、0.0201、0.0187、0.0127。
实施例14
本实施例与实施例9的不同之处在于在所述人工时效阶段采取双级时效制度，第一级时效为120℃，时间为2h，第二级时效温度为190℃，时间为2h。
通过对上述挤压工艺制备的合金型材进行性能测试，获得该高铁车用Al-Zn-Mg合金型材的抗拉强度为330MPa，屈服强度235MPa，延伸率为23％，抗拉强度的标准差为3MPa，应力腐蚀敏感性ISSRT值为0.0101。
从上述实施例可以看出，实施例3、5、6中，随着铸锭头尾温差的变大，使得合金组织内的金相不均匀，力学性能也不均匀、各部分性能相差较大。实施例4、7、8中，随着挤压速度的增加，使得热效应及变形不均衡,使得锭坯局部过热而造成大量的再结晶组织，力学性能偏差较大，应力腐蚀敏感性较高。实施例2、9-14分别考察了时效的时间和温度对型材综合性能的影响，从实施例9-13可以看出，随着二级时效时间的增加，应力腐蚀敏感性降低，力学性能随之降低，但仍处于一个较合理的强度值，型材的综合性能较好。
Claims (6)
1.一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，其特征在于包括如下步骤：
铸锭加热：选用长度为500mm-2000mm的铸锭，加热使其头尾温差在5-50℃之间，铸锭在加热炉中的加热温度控制在450-510℃；
模具加热：模具在加热炉中加热470-520℃，保温3-40h；
挤压筒加热：挤压筒温度控制在400-470℃；
挤压生产：铸锭和模具加热完成、挤压筒到温之后，将加热后的铸锭上模具进行挤压，挤压速度控制在0.5-4.5m/min；
在线淬火：保证型材淬火区入口温度≥450℃，淬火冷却速率为10-100℃/min；
中断：中间换锭时间不超过40min；
拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在0.3％-3.0％；
人工时效：采取双级时效制度，第一级时效为15℃-120℃，时间为2h-480h，第二级时效温度为120℃-180℃，时间为2h-48h。
2.根据权利要求1所述的一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，其特征在于：在所述铸锭加热的步骤中，加热使铸锭头尾温差在15-45℃之间。
3.根据权利要求1所述的一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，其特征在于：在所述挤压生产的步骤中，控制挤压速度为1-3m/min。
4.根据权利要求1所述的一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，其特征在于：在所述拉伸矫直的步骤中，在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在1％-2.5％。
5.根据权利要求1所述的一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产 工艺，其特征在于：在所述人工时效的步骤中，采取双级时效制度，第一级时效为20℃-100℃，时间为24h-240h，第二级时效温度为130℃-170℃，时间为5h-40h。
6.根据权利要求1-5所述的一种高铁车体用Al-Zn-Mg合金型材的挤压生产工艺，其特征在于：在所述的在线淬火的步骤中，淬火方式可选择空冷、强风、水雾冷中的一种或多种方式。
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