CN108239714B - 高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速动车用铝合金空心型材的生产方法，包括生产步骤：软合金引锭挤压、辊底连续式固溶淬火、拉伸矫直、成品锯切、取样、检尺和装框、三级积分时效炉时效、性能检测和包装入库；针对高速动车用Al‑Zn‑Mg铝合金型材挤出成型困难和模具寿命过短等问题，通过以Al‑Mg‑Si软合金作为引锭牵引Al‑Zn‑Mg铝合金铸锭挤出，极大的提高了硬质合金成型性和大大减少模具开裂和变形倾向，提高成型后型材的表面质量，并探索总结出软合金启挤的适用规律和方法。生产出的型材具有良好的力学性能，力学性能的稳定性、延伸率和表面粗糙度均得到大幅提高，并显著提高了模具的寿命，节约了模具成本，减少了修模次数，大大提高了生产效率，实现节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金生产制造方法，特别是高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法。
背景技术
Al-Zn-Mg铝合金为高强铝合金，焊接性能优良，常应用于高速铁路轨道车辆的承力结构部件。其用于高铁车体用结构型材，在使车重大幅降低，有效节约能源的同时，还保证车体结构的强度，具有良好的抗疲劳性能，抗腐蚀性能等。因此，Al-Zn-Mg铝合金的生产工艺也成为了行业内学者的重要研究对象。
目前工业化生产的高速铁路轨道车辆用Al-Zn-Mg铝合金空心型材采用热挤压方法加工，铝合金铸锭加热至设定温度后，通过热挤压模具成型成所需空心形状，生产中，由于Al-Zn-Mg合金强度高，变形抗力大，金属流动性差，热挤压模具中的模桥结构工作中承受着极大变形应力，极易发生断裂、变形等损害，空心型材内腔尺寸也常因模桥的损坏而变形，型材内外表面也显得十分粗糙；因此Al-Zn-Mg铝合金空心型材的挤压模具寿命通常很短，生产过后常需要对模具组件进行更换，补焊，打磨等，模具成本居高不下，且大大影响了生产效率。
挤压生产中，第一个通过热挤压模具的铸锭称之为引锭铸锭，研究发现，引锭铸锭对挤压模具的冲击尤为严重，引锭铸锭对连续生产的后续铸锭有着极为重要的影响和引导作用。
经对现有技术的检索，我们查到与本发明生产方法的相关文献和公开信息如下：
1、一种高速动车组车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备工艺；申请号：CN201710518117.2；申请人：广西南南铝加工有限公司；摘要：本发明涉及一种高速动车组车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备工艺，该制备工艺包括以下步骤：(1)挤压；(2)辊底连续式固溶淬火；(3)拉伸；(4)航空用板式三级时效炉时效；(5)成品锯切；(6)包装入库。本发明一种高速动车组车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备工艺，采用辊底连续式固溶淬火以及航空用板式三级时效炉时效进行生产能够大大提高热处理精度，同时挤压时采用梯度加热的方法，精确控制Al-Zn-Mg型材头尾温差，减小Al-Zn-Mg合金型材头部、中部、尾部性能差异，从而保证了Al-Zn-Mg型材的性能稳定性。
对比文件为本申请人关于高速动车组车体用Al-Zn-Mg合金型材的现有制备工艺，在实际生产中发现，此生产方法所用模具损耗很大，通过量低，修模频繁，且生产出的型材表面有拉铝、凹凸手感等缺陷；且型材的力学性能的稳定性和均衡性还不能完全满足产品需求。
发明内容
本发明提供了高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，此生产方法生产的产品，通过精细调控挤压工艺参数，在抗拉强度、屈服强度、延伸率等性能表现优异，并使用采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭，大大提高Al-Zn-Mg合金空心型材模具的使用寿命，改善Al-Zn-Mg合金型材的表面质量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，包括以下步骤：
a.挤压：挤压铸锭采用700mm～1800mm的长度，采用梯度加热的方法使其头尾温差在2～60℃之间，铸锭在加热炉中的加热温度为400～510℃；首节引锭铸锭采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭，挤压速度控制在0.2～2.0m/min；
b.辊底连续式固溶淬火：保证型材冷却入口温度400～520℃，淬火方式可选择四周风冷淬火，型材均匀冷却，淬火速率：250℃～350℃/min；
c.拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～3.2%
d.进行成品锯切、取样、检尺和装框；
e.航空用板式三级时效炉时效：第一级时效：温度：15～55℃，时间为18～960h；第二级时效：时效温度60～155℃，时间为3～45小时；第三级时效：时效温度为95～205℃，时间为1～25小时。
f.性能检测：时效出炉后样品性能检测；
g.包装入库：合格产品包装入库。
所述Al-Zn-Mg铝合金成分的重量百分比为：Mg :0.8～2.2%，Zn :3.0～6.0%，Si≤0.4%，Fe≤0.5%；以及含有下述一种或一种以上的元素：Mn≤0.50%、Zr≤0.20%、Cr≤0.30%、Cu≤0.20%、Ti≤0.05%、V≤0.03%，其余为Al。
所述挤压的首节Al-Mg-Si引锭铸锭合金成分的重量百分比为：Mg：0.6～1.2%，Si：0.7～1.3%， Fe：≤0.5%；以及含有下述一种或一种以上的元素Mn≤0.50%、Cr ≤0.25%、Zn≤0.20%、Cu≤0.1%、Ti≤0.1%、V≤0.05%，其余为Al；
所述首节Al-Mg-Si引锭铸锭合金成分含量与后续Al-Zn-Mg铸锭合金成分为以下关系：
后续挤压铸锭Mg+Zn元素总含量为引锭铸锭Mg+Si元素总含量的2.6～4.8倍；
后续挤压铸锭Mn+Cr+Zr元素总含量为引锭铸锭Mn+Cr元素总含量的1.4～2.2倍。
所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述取样为：在型材截面的上、下、左、右各取一个试样作为一组，在型材长度方向上的头、中、尾各取一组试样进行检测。
本发明的优点为：
1、采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭生产Al-Zn-Mg铝合金空心型材，大大减轻了首锭对挤压模具模桥结构的冲击，模具模桥结构受到应力变形程度轻，模具工作带受到的压力小，挤出的型材内外部尺寸精度高；表面粗糙度低，表面光滑，无明显拉铝、凹凸等现象发生，显著提高了模具的寿命，使模具通过量提高了135%，节约了模具成本，减少了修模次数，大大提高了生产效率。
2、生产工艺进一步优化，从铸锭加热的温度和梯度，挤压速度的控制，拉伸率的控制，三级时效时间和温度的控制，使产出的型材产品各项力学性能更好。
3、辊底连续式固溶淬火工序中，淬火方式使用四周风冷淬火，并优化了冷却参数，使型材四周方向冷却更加均匀，减少了型材淬火后型材发生弯曲、扭拧等情况发生，避免型材的不良率产生，也减低了损伤设备的风险，并且型材力学性能稳定性更优。
4、优化了型材检测取样方式，从通常的单面取样改成四周各面分别取样，对型材性能的检测和监控更精细、科学，使生产中特别是淬火工序中能更精细地调节淬火强度提供了数据基础，型材各部分性能更均衡，降低了型材在使用中失效的风险。
具体实施方式
实施例1
高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，所述Al-Zn-Mg铝合金成分的重量百分比为：Mg :0.9%，Zn :3.0%，Si：0.1%，Fe：0.1%，Mn：0.05%，Zr：0.05%，Cr：0.04%，Cu：0.05%，Ti：0.01%，V：0.01%，其余为Al。
生产包括以下步骤：
a.挤压：挤压铸锭采用700mm的长度，采用梯度加热的方法使其头尾温差为2℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在400℃；首节引锭铸锭采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭，引锭铸锭合金成分的重量百分比为：Mg：0.7%，Si：0.8%，Fe：0.1%，Mn：0.05%，Cr：0.05%，Zn：0.05%，Cu≤0.1%，Ti≤0.1%，V≤0.05%，其余为Al；后续挤压铸锭Mg+Zn元素总含量为引锭铸锭Mg+Si元素总含量的2.6倍；后续挤压铸锭Mn+Cr+Zr元素总含量为引锭铸锭Mn+Cr元素总含量的1.4倍；挤压速度为0.2m/min；
b.辊底连续式固溶淬火：保证型材冷却入口温度400℃，淬火方式为四周风冷淬火，淬火冷却速率：250℃/min；
c.拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率为：1%；
d.进行成品锯切、取样、检尺和装框；所述取样为：在型材截面的上、下、左、右各取一个试样作为一组，在型材长度方向上的靠头部1m位置、中间部位、靠尾部1米位置各取一组试样进行检测。
e.航空用板式三级时效炉时效：第一级时效：时效温度：15℃，时间为960h；第二级时效：时效温度60℃，时间为45小时；第三级时效：时效温度为95℃，时间为25小时。
f.性能检测：时效出炉后样品性能检测；
g.包装入库：合格产品包装入库。
实施例2
高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，所述Al-Zn-Mg铝合金成分的重量百分比为：Mg: 2.16%，Zn:6.0%，Si：0.4%，Fe：0.5%，Mn：0.4%、Zr：0.2%、Cr：0.28%、Cu：0.20%、Ti：0.05%、V：0.03%，其余为Al。
生产包括以下步骤：
a.挤压：挤压铸锭采用1800mm的长度，采用梯度加热的方法使其头尾温差为60℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在510℃；首节引锭铸锭采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭，引锭铸锭合金成分的重量百分比为：Mg：0.9%，Si：0.8%，Fe：0.5%，Mn：0.25%，Cr：0.15%，Zn：0.20%，Cu：0.1%，Ti：0.1%，V：0.05%，其余为Al；并且后续挤压铸锭Mg+Zn元素总含量为引锭铸锭Mg+Si元素总含量的4.8倍；后续挤压铸锭Mn+Cr+Zr元素总含量为引锭铸锭Mn+Cr元素总含量的2.2倍；挤压速度为2.0m/min；
b.辊底连续式固溶淬火：保证型材冷却入口温度520℃，淬火方式为四周风冷淬火，淬火冷却速率：350℃/min；
c.拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率为：1.2%；
d.进行成品锯切、取样、检尺和装框；所述取样为：在型材截面的上、下、左、右各取一个试样作为一组，在型材长度方向上的靠头部2m位置、中间部位、靠尾部2米位置各取两组试样进行检测。
e.航空用板式三级时效炉时效：第一级时效：时效温度：55℃，时间为18h；第二级时效：时效温度155℃，时间为3小时；第三级时效：时效温度为205℃，时间为1小时。
f.性能检测：时效出炉后样品性能检测；
g.包装入库：合格产品包装入库。
实施例3
高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，所述Al-Zn-Mg铝合金成分的重量百分比为：Mg:1.44%，Zn:2.4%，Si:0.25%，Fe:0.3%，Mn≤0.23%，Zr≤0.20%，Cr≤0.20%，Cu≤0.20%，Ti≤0.05%和V≤0.03%，其余为Al。
生产包括以下步骤：
a.挤压：挤压铸锭采用1000mm的长度，采用梯度加热的法使其头尾温差为20℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在490℃；首节引锭铸锭采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭，引锭铸锭合金成分的重量百分比为：Mg：0.6%，Si：0.6%，Fe：0.4%，Mn:0.2%，Cr：0.15%，Zn：0.10%，Cu：0.05%、Ti：0.06%、V：0.03%，其余为Al；后续挤压铸锭Mg+Zn元素总含量为引锭铸锭Mg+Si元素总含量的3.2倍；后续挤压铸锭Mn+Cr+Zr元素总含量为引锭铸锭Mn+Cr元素总含量的1.8倍；挤压速度控制在1.2m/min；
b.辊底连续式固溶淬火：保证型材冷却入口温度490℃，淬火方式为四周风冷淬火，淬火冷却速率：300℃/min；
c.拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率为：1.1%；
d.进行成品锯切、取样、检尺和装框；所述取样为：在型材截面的上、下、左、右各取一个试样作为一组，在型材长度方向上的靠头部0.5m位置取两组试样、中间部位取一组试样、靠尾部0.5米位置取两组试样进行检测。
e.航空用板式三级时效炉时效：第一级时效：时效温度：40℃，时间为120h；第二级时效：时效温度100℃，时间为15小时；第三级时效：时效温度为170℃，时间为13小时。
f.性能检测：时效出炉后样品性能检测；
g.包装入库：合格产品包装入库。
实施例4
高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，所述Al-Zn-Mg铝合金成分的重量百分比为：Mg:2.08%，Zn:2.1%，Si:0.25%，Fe:0.3%，Mn：0.13%，Zr：0.10%，Cr：0.10%，Cu：0.20%、Ti：0.05%、V：0.03%，其余为Al。
生产包括以下步骤：
a.挤压：挤压铸锭采用1200mm的长度，采用梯度加热的法使其头尾温差为40℃，铸锭在加热炉中的加热温度控制在500℃；首节引锭铸锭采用Al-Mg-Si合金铸锭引锭，引锭铸锭合金成分的重量百分比为：Mg：0.6%，Si：0.5%，Fe：0.4%，Mn:0.1%，Cr：0.12%，Zn：0.10%，Cu：0.05%、Ti：0.06%、V:0.03%，其余为Al；并且后续挤压铸锭Mg+Zn元素总含量为引锭铸锭Mg+Si元素总含量的3.8倍；后续挤压铸锭Mn+Cr+Zr元素总含量为引锭铸锭Mn+Cr元素总含量的1.5倍；挤压速度控制在1.5m/min；
b.辊底连续式固溶淬火：保证型材冷却入口温度480℃，淬火方式为四周风冷淬火，淬火冷却速率：320℃/min；
c.拉伸矫直：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率为：1%；
d.进行成品锯切、取样、检尺和装框；所述取样为：在型材截面的上、下、左、右各取一个试样作为一组，在型材长度方向上的靠头部0.5m位置取一组试样、中间部位取两组试样、靠尾部0.5米位置取一组试样进行检测。
e.航空用板式三级时效炉时效：第一级时效：时效温度：45℃，时间为400h；第二级时效：时效温度120℃，时间为8小时；第三级时效：时效温度为190℃，时间为9小时。
f.性能检测：时效出炉后样品性能检测；
g.包装入库：合格产品包装入库。
实验数据对比：
对比实施例一
常规高速动车用Al-Zn-Mg合金型材，经普通引锭挤压→在线淬火→拉伸矫直→成品锯切→单级时效→性能检测→包装入库。模具使用寿命，统计通过量平均约为8.89吨。力学性能、力学性能最大差值和表面粗糙度检测结果见表1、表2和表3。
表1 常规挤压方法生产的Al-Zn-Mg合金空心型材力学性能沿长度方向的分布
表2常规挤压方法生产的Al-Zn-Mg合金空心型材截面各方向力学性能差值
表3常规挤压方法生产的Al-Zn-Mg合金空心型材表面粗糙度
对比实施例二
本发明方法生产的高速动车用Al-Zn-Mg合金型材，经软合金引锭挤压→在线淬火→拉伸矫直→成品锯切→三级时效→性能检测→包装入库。软起挤方法生产Al-Zn-Mg合金空心型材的模具使用寿命，统计通过量平均约为20.9吨，相较于常规挤压生产方法模具使用寿命提高约135%。力学性能及表面粗糙度检测结果见表4、表5、表6。
表4 本发明挤压方法生产的Al-Zn-Mg合金空心型材力学性能沿长度方向的分布
表5本发明挤压方法生产的Al-Zn-Mg合金空心型材截面各方向力学性能差值
表6本发明挤压方法生产的Al-Zn-Mg合金空心型材表面粗糙度
从实验1和实验2的对比可以看出：本发明生产方法对比采用常规在线喷淋淬火，普通在线水槽淬火，常规离线淬火，常规单级时效，所得到的产品的在抗拉强度、屈服强度都保持原有水平或略有提高的情况下，力学性能的稳定性、延伸率和表面粗糙度均得到大幅提高，并且模具通过量从原来的8.89吨提高到了20.9吨，提高了135%，因此表明本发明生产方法对Al-Zn-Mg合金空心型材的质量品质有显著的提高，具有先进性和实用性。
Claims (8)
1.高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：
生产包括以下步骤：
a.挤压：挤压铸锭采用梯度加热的方法使铸锭在加热炉中的加热，首节铸锭采用变形抗力较小的合金作为引锭挤出；
b.辊底连续式固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬；
c.拉伸矫直：保证型材拉直；
d.进行成品锯切、取样、检尺和装框；
e.三级时效：将锯切后的型材进行三级时效处理；
f.性能检测：时效出炉后样品性能检测；
g.包装入库：合格产品包装入库；
所述Al-Zn-Mg铝合金成分的重量百分比为：Mg：0.8～2.2%，Zn：3.0～6.0%，Si≤0.4%，Fe≤0.5%；以及含有下述一种或一种以上的元素：Mn≤0.50%、Zr≤0.20%、Cr≤0.30%、Cu≤0.20%、Ti≤0.05%、V≤0.03%，其余为Al；
所述挤压的首节Al-Mg-Si引锭铸锭合金成分的重量百分比为：Mg：0.6～1.2%，Si：0.7～1.3%， Fe：≤0.5%；以及含有下述一种或一种以上的元素Mn≤0.50%、Cr ≤0.25%、Zn≤0.20%、Cu≤0.1%、Ti≤0.1%、V≤0.05%，其余为Al。
2.根据权利要求1所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：首节引锭铸锭采用Al--Mg--Si合金铸锭，铸锭长度为700mm～1800mm，采用感应加热的方法使其头尾温差在2～60℃之间，铸锭在加热炉中的加热温度控制在400～510℃。
3.根据权利要求1或2所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述首节Al-Mg-Si引锭铸锭合金成分含量与后续Al-Zn-Mg铸锭合金成分为以下关系：
后续挤压铸锭Mg+Zn元素总含量为引锭铸锭Mg+Si元素总含量的2.6～4.8倍；
后续挤压铸锭Mn+Cr+Zr元素总含量为引锭铸锭Mn+Cr元素总含量的1.4～2.2倍。
4.根据权利要求1所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述挤压时挤压速度为0.2～2.0m/min。
5.根据权利要求1所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述辊底连续式固溶淬火：型材冷却入口温度400～520℃，淬火方式为四周风冷淬火，淬火速率：250～350℃/min。
6.根据权利要求1所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述拉伸矫直是使用张力拉伸机，在保证型材拉直的情况下控制长度拉伸率为0.2%～3.2%。
7.根据权利要求1所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述取样为：在型材截面的上、下、左、右各取一个试样作为一组，在型材长度方向上的头、中、尾各取一组试样进行检测。
8.根据权利要求1所述高速动车用Al-Zn-Mg铝合金空心型材的生产方法，其特征在于：所述三级时效为：第一级时效：时效温度：15～55℃，时间为18～960h；第二级时效：时效温度60～155℃，时间为3～45小时；第三级时效：时效温度为95～205℃，时间为1～25小时。
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