CN108251723A - 一种轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材及其制备方法 - Google Patents

一种轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料及其加工技术领域，公开了一种轨道交通车体用Al‑Zn‑Mg铝合金型材及其制备方法，涉及铝合金加工技术领域。按质量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.4‑4.6%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.2‑3.5;Cu:0.1‑0.15%，Mn:0.3‑0.4%，Cr：0.16‑0.24%，Ti：0.04‑0.08%，Zr：0.12‑0.20%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。本发明提供的制备方法所制备的Al‑Zn‑Mg合金材料，兼具高强韧、耐蚀、耐疲劳和可焊的特点，能适应高速动车车体的运行需求。

Description

一种轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及其加工技术领域，公开了一种轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材及其制备方法，涉及铝合金加工技术领域。
背景技术
铝型材应用于轨道交通领域能够提高轨道车辆的有效载荷，节省燃料，降低车辆维护成本。与传统的车辆制造材料耐候钢和不锈钢相比，铝型材能降低50%的车体重量，对高速线路、多弯线路、起伏线路和恶劣环境有着良好的适应性，因而成为城市地铁、高速铁路和货运铁路轨道车辆的首选材料。目前铝型材在日本东京地铁和新干线轨道车辆上已经得到了广泛的应用，我国四种铁路客运专线动车组CRH1、CHR2、CRH3和CRH5当中，除CRH1为不锈钢材质外，其余三种车体均为铝合金材质，一般说来时速超过200公里的高速列车均为铝合金材质。
Al-Zn-Mg合金强度高、焊接性能优良，已成为目前轨道交通车体承重结构材料之一。采用Al-Zn-Mg合金作为高速动车组车体材料，不仅可以保证车体的使用强度，还能使车重大幅降低，有效降低能耗。目前工业化生产的高强高可焊 Al-Zn-Mg合金中，杂质含量高，氢、渣含量得不到有效控制，致使合金韧性、耐疲劳及抗应力腐蚀性能不高，难以满足高速动车组的需求。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的发明目的是：提供一种轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材及其制备方法，本发明制备方法制得的铝合金型材抗拉强度大于360MPa，四点弯应力腐蚀30天不开裂，断裂韧性大于45MPa.m1/2。可广泛用于轨道交通车体对铝合金材料的力学强度、耐候性、强韧性等性能有较高要求的产品。
为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：
一种轨道交通车体用高强韧耐腐蚀的Al-Zn-Mg铝合金型材，按质量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.4~4.6%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.2~3.5; Cu0.1~0.15%，Mn0.3~0.4%，Cr0.16~0.24%，Ti 0.04~0.08%，Zr 0.12~0.20%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。
本发明还提供了上述一种轨道交通车体用高强韧耐腐蚀的Al-Zn-Mg铝合金型材的制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照质量百分比混合，加热至760~780℃，使物料熔化，保温5~7h；
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝液中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为390~580mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、车皮：将均热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为470~490℃，时间为1~2h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为0.5~2m/min；首节铸锭采用铸锭屈服强度20MPa~90MPa的合金作为引锭挤出；
（7）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；
（8）拉伸：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～1.2%；
（9）时效：将拉伸后的型材进行三级时效处理。
进一步地，所述Ti是以Al-Ti-C中间合金的形式加入，作为晶粒细化添加剂。
优选地，步骤（6）中，所述引锭为1050、1060、1145、1350、6063、6005A、6061合金铸锭中的一种。
进一步地，步骤（7）中，固溶温度为470~480℃，淬火介质为去离子水，淬火冷却速度为370~400℃/min。
进一步地，步骤（8）中，三级时效热处理为：一级时效温度30-40℃保温8-16小时，二级时效温度为85~95℃保温5-7小时，三级时效温度为165~175℃保温13~17小时。
更进一步的，步骤（8）中，三级时效热处理为：一级时效温度30℃保温8小时，二级时效温度为85~95℃保温7小时，三级时效温度为165℃保温16~17小时。
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）在Al-Zn-Mg合金中，Zn和Mg元素是形成强化相的主要合金元素，两者同时存在时会形成η(MgZn2)相和T(A12Mg2Zn3)相，Zn、Mg与Al、Cu、Si等可形成Mg5Al8、S(Al2CuMg)、T(Al2Mg2Zn3)和Mg2Si等时效强化相，合金随着Zn、Mg含量的增加，其抗拉强度随之增加，但当Zn含量超过一定数值时，与断裂韧性相关的性能急剧降低，焊接性能、耐腐蚀性能显著恶化。另外，合金的应力腐蚀倾向与Zn、Mg含量的总和及Zn/Mg的含量比值有关，因此综合考虑，Zn/Mg的含量比值在3.2-3.5的范围内时，合金是具有较好的抗拉强度的，同时，也具有较好的耐应力腐蚀性能。
（2）Cu在Al-Zn-Mg系合金中能提高沉淀相的弥散度，Cu与其它元素能产生强化相S(CuMgAl2)，Cu原子还可溶入η’及η相中，降低晶界和晶内的电位差，提高合金的抗应力腐蚀能力。对于中强度铝合金来说，含有少量Cu或不含Cu，有益于合金的焊接性能，Cu含量大于0.3%时，焊接接头凝固时的热裂倾向严重，合金的焊接性能遭到严重破坏，本发明将Cu的含量控制在0.1-0.15%，使合金兼具焊接和抗腐蚀的性能。
（3）Zr和Al结合形成金属间化合物Al3Zr，微量Zr可提高合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。Mn能急剧提高热变形半成品，特别是挤压制品的再结晶温度，Mn可显著提高合金的抗应力腐蚀性能。Cr和Ti都是起微合金化作用的元素，可以控制加工和热处理时的晶粒结构。微量Ti的加入所形成的TiA13主要起细化焊缝铸态组织的作用，以提高抗焊接裂纹的能力。微量Cr的加入所形成的Al7Cr起析出强化作用。
（4）Fe和Si是合金中不可避免的有害杂质，Fe会降低铝合金的耐蚀性和机械性能，Si会降低铝合金强度，并使合金的弯曲性能降低，焊接裂纹倾向增加。Fe、Si同时存在时，除FeAl3和Si相外，主要以不溶或难溶的Al7Cu2Fe、Mg2Si、AlFeMnSi等脆性相和共晶化合物的形式存在，增加合金的热裂倾向，因此，须将Fe和Si的含量控制在较低范围内。
（5）在挤压工艺方面，由于Al-Zn-Mg铝合金为高强硬质铝合金，因此，在挤压成型过程中会产生挤出成型困难和模具寿命严重缩短等问题。为此，本发明通过以Al-Mg-Si等软合金作为引锭牵引Al-Zn-Mg铝合金铸锭挤出，可以极大的提高了硬质合金成型性，同时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，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。
（6）在淬火工艺上采用对挤出型材进行辊底炉离线水淬；型材固溶温度470~480℃，淬火冷却速度370~400℃/min。相对于传统的立式淬火和在线风淬工艺，辊底式淬火采用去离子水为淬火介质，能达到更高的温度控制精度±1.5℃，提高淬火的均匀性，以及减少型材头尾切除量，从而提高成品率。
（7）本发明在工艺上采用三级时效的热处理制度，以确保时效过程弥散析出Mg2Si强化相，同时在晶界析出较为粗大的断续球状Mg2Si相粒子，从而保证了强度和抗腐蚀性能的协调提高。
综上所述，通过微合金化设计、制备工艺优化，综合考虑到材料性能和规模化制备可行性等综合因素，本发明提供了一种轨道交通车体用高强韧的Al-Zn-Mg合金及其制备方法，制得的产品可广泛用于对力学强度、耐候性、强韧性等性能有较高要求的轨道交通车体及其他工业型材应用领域。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种轨道交通车体用高强韧耐腐蚀的Al-Zn-Mg铝合金型材制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照质量百分比混合，化学成份为：Zn4.4%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.2；Cu0.1%，Mn0.3%，Cr0.16%，Ti0.04%，Zr0.12%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。加热至760℃，使物料熔化，保温5h；添加Al-Ti-C为中间合金进行细化晶粒处理。
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝液中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为390mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、车皮：将均热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为470℃，时间为1h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为0.5m/min；首节铸锭采用1050合金作为引锭挤出。
（7）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。固溶温度为470℃，淬火介质为去离子水，淬火冷却速度为370℃/min。
（8）拉伸：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～1.2%。
（9）时效：将拉伸后的型材进行三级时效处理。一级时效温度30℃保温8小时，二级时效温度为85℃保温7小时，三级时效温度为165℃保温17小时。
实施例2
一种轨道交通车体用高强韧耐腐蚀的Al-Zn-Mg铝合金型材制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照质量百分比混合，化学成份为：Zn:4.6%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.5；Cu:0.15%，Mn:0.4%，Cr：0.24%，Ti:0.08%，Zr:0.20%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。加热至780℃，使物料熔化，保温7h；添加Al-Ti-C为中间合金进行细化晶粒处理。
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝液中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为580mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、车皮：将均热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为490℃，时间为2h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为2m/min；首节铸锭采用6061合金作为引锭挤出。
（7）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。固溶温度为480℃，淬火介质为去离子水，淬火冷却速度为400℃/min。
（8）拉伸：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～1.2%。
（9）时效：将拉伸后的型材进行三级时效处理。一级时效温度40℃保温16小时，二级时效温度为95℃保温5小时，三级时效温度为175℃保温13小时。
实施例3
一种轨道交通车体用高强韧耐腐蚀的Al-Zn-Mg铝合金型材制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照质量百分比混合，化学成份为：Zn:4.5%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.3；Cu:0.12%，Mn:0.32%，Cr：0.20%，Ti:0.06%，Zr:0.16%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。加热至770℃，使物料熔化，保温6h；添加Al-Ti-C为中间合金进行细化晶粒处理。
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝液中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为460mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、车皮：将均热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为475℃，时间为1.5h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为1.0m/min；首节铸锭采用6063合金作为引锭挤出。
（7）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。固溶温度为475℃，淬火介质为去离子水，淬火冷却速度为380℃/min。
（8）拉伸：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～1.2%。
（9）时效：将拉伸后的型材进行三级时效处理。一级时效温度35℃保温12小时，二级时效温度为90℃保温6小时，三级时效温度为170℃保温15小时。
实施例4
一种轨道交通车体用高强韧耐腐蚀的Al-Zn-Mg铝合金型材制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照质量百分比混合，化学成份为：Zn:4.4%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.4；Cu:0.1%，Mn:0.3%，Cr：0.16%，Ti:0.04%，Zr:0.12%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。加热至760℃，使物料熔化，保温5h；添加Al-Ti-C为中间合金进行细化晶粒处理。
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为390mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、车皮：将均热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为470℃，时间为1h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为0.5m/min；首节铸锭采用1050合金作为引锭挤出。
（7）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。固溶温度为470℃，淬火介质为去离子水，淬火冷却速度为370℃/min。
（8）拉伸：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～1.2%。
（9）时效：将拉伸后的型材进行三级时效处理。一级时效温度30℃保温8小时，二级时效温度为95℃保温7小时，三级时效温度为165℃保温16小时；
对比例1
与实施例1相比，对比例1的步骤（1）添加Al-Ti-B为中间合金进行细化晶粒处理，Zn和Mg质量百分含量比值为3.0，按照质量百分比计算，化学元素成分Zn:4.2%、Cu:0.05%，其余工艺条件均与实施例1相同、制备轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材的步骤均与实施例1相同。
对比例2
与实施例2相比，对比例2的步骤（6）预热温度为510℃，首节铸锭直接采用挤压锭合金挤出。其余工艺条件均与实施例2相同、制备轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材的步骤均与实施例2相同。
对比例3
与实施例3相比，对比例3的步骤（7）中采用在线淬火处理，淬火速率200℃/min，其余工艺条件均与实施例3相同、制备轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材的步骤均与实施例3相同。
对比例4
与实施例4相比，对比例4的步骤（8）中采用单极时效处理：140℃保温24小时，其余工艺条件均与实施例4相同、制备轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材的步骤均与实施例4相同。
对比例5
与实施例1相比，对比例5的步骤（1）添加Al-Ti-B为中间合金进行细化晶粒处理，其余工艺条件均与实施例1相同、制备轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材的步骤均与实施例1相同。
检测实施例1-4和对比例1-5的制备得到的轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材的力学性能沿长度方向分布的测试结果如表1。
表1
检测实施例1-4和对比例1-5的制备得到的高速动车组车体用Al-Zn-Mg合金型材的四点弯应力腐蚀的测试结果如表2。
表2
检测实施例1-4和对比例1-5的制备得到的高速动车组车体用Al-Zn-Mg合金型材的断裂韧性测试结果如表3。
表3
由上述测试结果可知，本发明一种轨道交通用Al-Zn-Mg合金型材可使制得的Al-Zn-Mg合金型材的力学性能稳定，四点弯应力腐蚀性能、断裂韧性优良。

Claims (7)

1.一种轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材，其特征在于：按质量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.4~4.6%，Zn和Mg质量百分含量比值为3.2~3.5; Cu0.1~0.15%，Mn0.3~0.4%，Cr0.16~0.24%，Ti 0.04~0.08%，Zr 0.12~0.20%，Fe≤0.12%，Si≤0.06%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照质量百分比混合，加热至760~780℃，使物料熔化，保温5~7h；
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝液中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤后的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为390~580mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、车皮：将均热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为470~490℃，时间为1~2h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为0.5~2m/min；首节铸锭采用铸锭屈服强度20MPa~90MPa的合金作为引锭挤出；
（7）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；
（8）拉伸：在保证型材拉直的情况下控制拉伸率在：0.2%～1.2%；
（9）时效：将拉伸后的型材进行三级时效处理。
3.根据权利要求2所述的轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备方法，其特征在于：所述Ti是以Al-Ti-C中间合金的形式加入，作为晶粒细化添加剂。
4.根据权利要求2所述的轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备方法，其特征在于：步骤（6）中，所述引锭为1050、1060、1145、1350、6063、6005A、6061合金铸锭中的一种。
5.根据权利要求2所述的轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备方法，其特征在于：步骤（7）中，固溶温度为470~480℃，淬火介质为去离子水，淬火冷却速度为370~400℃/min。
6.根据权利要求2所述的轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备方法，其特征在于：步骤（8）中，三级时效热处理为：一级时效温度30-40℃保温8-16小时，二级时效温度为85~95℃保温5-7小时，三级时效温度为165~175℃保温13~17小时。
7.根据权利要求6所述的轨道交通车体用Al-Zn-Mg合金型材的制备方法，其特征在于：步骤（8）中，三级时效热处理为：一级时效温度30℃保温8小时，二级时效温度为85~95℃保温7小时，三级时效温度为165℃保温16~17小时。
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