CN108950322A

CN108950322A - 一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材及其制备方法

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Publication number: CN108950322A
Application number: CN201810799701.4A
Authority: CN
Inventors: 吴博; 李洪涛
Original assignee: Aluminum Sapa Special Aluminum (chongqing) Co Ltd
Current assignee: Chinalco Special Aluminum Products (Chongqing) Co.,Ltd.
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: CN108950322B

Abstract

本发明属于铝合金制造技术领域，涉及一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材及其制备方法，铝合金中的成分和重量百分比为：Si：0.50～0.65％、Fe≤0.25％、Cu≤0.10％、Mn：0.03～0.15％、Mg：0.45％～0.55％、Cr≤0.05％、Zn≤0.05％、Ti≤0.10％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al，均匀化处理的温度为550～580℃，通过降低Mn、Cr等元素的含量，降低合金挤压过程中的再结晶温度，加大铝型材挤压时壁厚方向其再结晶的形核密度和比例、充分利用薄壁型材挤压时容易发生再结晶的特点，在挤压过程中获得表层心部晶粒组织均匀一致的产品，颠覆了传统通过增加Mn、Cr元素含量提升合金再结晶温度的方法。

Description

一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金制造技术领域，涉及一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材及其制备方法，尤其涉及一种提升6系铝合金薄壁型材生产效率和微观组织的化学成分设计。

背景技术

随着交通运输领域轻量化的发展，具有低密度、高比强度、良好的挤压性、可焊性、抗腐蚀能力强、加工费用便宜等优势的铝合金在交通运输领域得到大量运用，而随着交通运输领域工具的进一步轻量化，零部件进一步“薄壁轻量化”减重的要求日益增加，尤其是在轨道交通领域，其车辆普遍采用6N01或6005A合金大断面中空薄壁挤压型材，随着行业的不断发展，车体用铝合金挤压部件的的壁厚越来越薄，其在挤压时单位面积所需的挤压力越来越高，这对挤压型材制造厂家挤压机的能力、模具的寿命、生产效率等均提出了严峻的挑战。同时，相同结构设计下铝合金壁厚越薄，其对应的挤压比相对更大，材料变形量加大，材料内部累积的储存能更多，再结晶倾向越严重，即生产制造出来的铝型材表层的粗晶环则越厚，严重影响制品的力学性能。因此在轨道交通车体TB/T 3260.4-2011《动车组用铝及铝合金第4部分：型材》规定，高速动车组车体型材各位置的显微晶粒度不低于3级，即晶粒尺寸不得大于0.14mm。

为解决该铝挤压制品的粗晶环问题，传统的技术解决思路是通过加大Mn、Cr等合金元素的含量，由于这些元素可以与Al基体形成Al₆Mn等弥散第二相，通过这些弥散相在晶界上钉扎热变形时的位错，阻碍位错多边化并获得稳定的亚结构，使得材料实际发生再结晶温度升高，降低其发生再结晶的倾向，降低型材表层发生再结晶的粗晶层厚度，获得一种型材壁厚方向的心部变形组织加表层再结晶组织的混合组织。然而，随着铝合金挤压型材的壁厚越来越薄，其在挤压时对应的再结晶倾向越来越明显，为控制这种再结晶组织的厚度，获得表层显微晶粒度大于3级的材料，则需进一步加大含Mn、Cr等元素的含量，随着该类形成第二相的合金元素的增加，其对应的金属流变应力加大，挤压时的变形抗力大大升高，生产效率和模具寿命均下降，同时其淬火敏感性也随之上升，甚至无法实现在线淬火，其对应的生产效率和模具寿命大大下降，生产成本大幅增加。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有轨道交通车体用铝挤压型材技术中产品壁厚越薄，挤压效率越低且粗晶环越厚的问题，提供一种轨道交通车体用铝挤压型材及其制备方法。

为达到上述目的，本发明提供一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材，其特征在于，铝合金中的成分和重量百分比为：Si：0.50～0.65％、Fe≤0.25％、Cu≤0.10％、Mn：0.03～0.15％、Mg：0.45％～0.55％、Cr≤0.05％、Zn≤0.05％、Ti≤0.10％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

进一步，铝合金中的成分和重量百分比为：Si：0.50～0.65％、Fe≤0.25％、Cu≤0.10％、Mn：0.03～0.13％、Mg：0.45％～0.55％、Cr≤0.05％、Zn≤0.05％、Ti≤0.10％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，包括如下步骤：

A、配料：将制备轨道交通车体用薄壁6系铝型材的铝合金原料按照重量百分比进行配料；

B、铸造：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒，铝合金铸棒的直径范围为457～533mm；

C、均匀化：铝合金铸棒在均质炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为550～580℃，保温时间为8～10h，出炉后的铝合金铸棒强风冷却至室温；

D、铸棒、挤压筒和模具加热：铝合金铸棒在加热炉中加热，加热温度控制在430～450℃，温度梯度为25～50℃/m，挤压筒温度控制在400～410℃，模具加热温度控制在470～480℃；

E、挤压：将加热后的铝合金铸棒置于挤压机的挤压筒中进行挤压，得到6系铝合金薄壁型材，其中挤压速度为12～25m/min，挤压后铝合金薄壁型材的宽度为300～700mm，铝合金薄壁型材的壁厚为1～10mm；

F、在线淬火：将挤压后6系铝合金薄壁型材进行在线淬火，保证铝合金薄壁型材基体中获得高的过饱和固溶体，其中挤压后的铝合金薄壁型材出模具口进入淬火区时温度不低于530℃；

G、时效强化：将在线淬火的铝合金薄壁型材在175±5℃的温度下人工时效6～8h；

H、检验及包装：对时效后铝合金薄壁型材进行表面质量、尺寸低倍、高倍组织、力学性能检验，对满足客户要求的产品进行包装。

进一步，步骤B采用半连续水冷铸造方式将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒。

进一步，步骤B精炼过程中加入Al-5Ti-B丝精炼剂，在线除气采用双转子，氩气流量为3.2～7.1m³/h，氯气流量为0～0.05m³/h，转子转速为400～700r/min，过滤采用双层过滤板过滤。

进一步，步骤D铝合金铸棒在电磁感应加热炉中加热，挤压机选择122MN非标卧式挤压机，挤压系数为30～100。

进一步，步骤E挤压后铝合金薄壁型材的壁厚为1～5mm。

进一步，步骤F淬火方式采用风冷，风速控制在10-60m/s。

本发明的有益效果在于：

1、传统解决铝合金挤压制品粗晶环问题的技术解决思路是通过加大Mn、Cr等合金元素的含量，这些元素可以与Al基体形成Al₆Mn等弥散第二相，通过这些弥散相在晶界上钉扎热变形时的位错，阻碍位错多边化并获得稳定的亚结构，使得材料实际发生再结晶温度升高，降低其发生再结晶的倾向，降低型材表层发生再结晶的粗晶层厚度，获得一种型材壁厚方向的心部变形组织加表层再结晶组织的混合组织。然而随着铝合金挤压型材的壁厚越来越薄，其在挤压时对应的再结晶倾向越来越明显，为控制这种再结晶组织的厚度，获得表层显微晶粒度大于3级的材料，则需进一步加大含Mn、Cr等元素的含量，挤压过程中金属流变应力加大，挤压时的变形抗力大大升高，生产效率和模具寿命均下降，同时其淬火敏感性也随之上升，甚至无法实现在线淬火，其对应的生产效率和模具寿命大大下降，生产成本大幅增加。

本发明所公开的轨道交通车体用薄壁6系铝型材，通过降低Mn、Cr的含量，降低了铝合金实际发生再结晶的温度，利用薄壁型材受摩擦力做功较多，成型时内部储存能加大导致其再结晶倾向大的特点，配合高速挤压工艺进一步加大铝合金型材的再结晶的形核密度，获得整个断面均为均匀细小的细晶组织，消除型材表层的粗晶环，不仅提高材料的强度、韧性等力学性能指标，同时大幅提升生产效率，颠覆了传统通过增加Mn、Cr元素含量提升合金再结晶温度的加工方法。

2、本发明所公开的轨道交通车体用薄壁6系铝型材，通过对各个工艺参数的严格控制，使得轨道交通车体用薄壁6系铝型材的淬火温度能够达到≥500℃的需求，从而达到产品的充分过饱和固溶效果，生产效率达到国内常规水平的3～6倍，不仅实现在线挤压生产，且随着挤压速度的不断提高，制品的晶粒组织越细小，达到生产效率和质量的完美结合。

3、本发明所公开的轨道交通车体用薄壁6系铝型材，在生产制造后无任何粗晶环，显微晶粒度≥3级以上，抗拉强度在236～290MPa之间，屈服强度在209～217MPa之间，延伸率≥12％，材料厚度方向的显微组织及性能均匀一致，韧性优良，满足轨道交通车体用材对晶粒度微观组织及力学性能的要求，同时由于通过降低Mn、Cr元素的含量降低材料的淬火敏感性，在线淬火时更容易淬透，在挤压时可以选择更低的棒温配合更高的挤压变形速度，获得生产效率的提升。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例2所制造轨道交通车体用薄壁6系铝型材的微观组织图；

图2为本发明实施例3所制造轨道交通车体用薄壁6系铝型材的微观组织图；

图3为本发明对比例1所制造轨道交通车体用薄壁6系铝型材的微观组织图；

图4为本发明对比例2所制造轨道交通车体用薄壁6系铝型材的微观组织图。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

A、配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	杂质	Al
											含量	0.58	0.18	0.01	0.15	0.50	0.01	0.01	0.01	0.15	余量

B、铸造：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金采用半连续水冷铸造方式将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒，铝合金铸棒的直径为457mm，其中精炼过程中加入A1-5Ti-B丝精炼剂，在线除气采用双转子，氩气流量为3.2～7.1m³/h，氯气流量为0～0.05m³/h，转子转速为400～700r/min，过滤采用双层过滤板过滤；

C、均匀化：铝合金铸棒在均质炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为550～580℃，保温时间为8h，出炉后的铝合金铸棒强风冷却至室温；

D、铸棒、挤压筒和模具加热：铝合金铸棒在电磁感应加热炉中加热，加热温度控制在450℃，挤压筒温度控制在410℃，模具加热温度控制在480℃，其中挤压机选择122MN非标卧式挤压机，挤压系数为60；

E、挤压：将加热后的铝合金铸棒置于挤压机的挤压筒中进行挤压，得到6系铝合金薄壁型材，其中挤压速度为12m/min，挤压后铝合金薄壁型材的宽度为640mm，铝合金薄壁型材的壁厚为1～10mm；

F、在线淬火：将挤压后6系铝合金薄壁型材进行在线淬火，淬火方式采用风冷，风速控制在30m/s，保证铝合金薄壁型材基体中获得高的过饱和固溶体，其中挤压后的铝合金薄壁型材出模具口进入淬火区时温度为540℃；

G、时效强化：将在线淬火的铝合金薄壁型材在175±5℃的温度下人工时效6h；

按照GB/T3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法第1部分：显微组织检验方法》标准，检测本发明实施例1制备得到的成分优化的铝合金型材的显微晶粒度，检测结果为，本发明实施例1制备得到的成分优化的铝合金型材无粗晶环，10mm壁厚位置显微晶粒度为3.5级，1mm位置处显微晶粒度为4.5级。符合TB/T 3260.4-2011《动车组用铝及铝合金第4部分：型材》规定的显微晶粒度不低于3级的要求。

按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准对本实施例中不同厚度的型材力学性能进行检测，检测结果如表1所示，检测结果按照TB/T 3260.4-2011《动车组用铝及铝合金第4部分：型材》规定的6系型材力学性能标准进行验收。实施例1制备的薄壁6系铝型材力学性能检测结果见表一。

表一

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	杂质	Al
											含量	0.65	0.25	0.1	0.15	0.55	0.01	0.03	0.1	0.15	余量

对本发明实施例2制备得到的铝型材进行检测(如图1所示)，检测结果为，本发明实施例2制备得到的铝型材壁厚1.2mm位置的显微晶粒度为4级，壁厚10mm位置的显微晶粒度为3级。

实施例2制备的薄壁6系铝型材力学性能检测结果见表二。

表二

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	杂质	Al
											含量	0.50	0.01	0.01	0.03	0.45	0.01	0.01	0.01	0.15	余量

对本发明实施例3制备得到的型材进行检测(如图2所示)，检测结果为，本发明实施例3制备得到的铝型材壁厚1mm位置的显微晶粒度为4.5级，铝型材壁厚10mm位置的显微晶粒度为3.5级。

实施例3制备的薄壁6系铝型材力学性能检测结果见表三。

表三

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	杂质	Al
											含量	0.50	0.01	0.01	0.26	0.45	0.01	0.01	0.01	0.15	余量

将本发明对比例1制备得到的6N01型材进行检测(如图3所示)，检测结果为，壁厚为1.2mm位置的显微晶粒度为1.5级，壁厚为10mm位置的形成了厚度为3mm厚的粗晶环，表层粗晶环内的显微晶粒度为1级。

由实施例1和对比例1可知，按照传统方法添加了抑制再结晶的的合金元素如Mn、Cr后，在进行中高速挤压时其粗晶环逐渐变厚，无法获得整个断面任何位置显微晶粒度≥3级的6N01型材。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	杂质	Al
											含量	0.50	0.01	0.01	0.30	0.45	0.13	0.01	0.01	0.15	余量

将本发明对比例2制备得到的6N01型材进行检测(如图4所示)，检测结果为，壁厚为1.2mm位置的显微晶粒度为1级，壁厚为10mm位置的形成了厚度为1.5mm厚的粗晶环，表层粗晶环内的显微晶粒度为1级。

由实施例1和对比例2可知，当进一步添加Mn、Cr等元素时，薄壁部分的显微晶粒度变得更差，部分区域的再结晶组织发生二次再结晶长大，但在厚壁部分粗晶层厚度变薄，与传统的添加Mn、Cr元素含量可控制型材的粗晶层的理论保持一致，但厚壁部分粗晶层区域的显微晶粒度为1级，但仍然无法满足整个断面任何位置显微晶粒度≥3级的要求。

对比例3

对比例3与实施例1的区别在于，步骤C均匀化处理的温度为540℃。

本发明对比例3制备的6N01铝合金型材，检测结果为，本发明对比例3制备得到的型材壁厚为1.2mm的位置，显微晶粒度为3级，壁厚为10mm的位置，显微晶粒度为2级。未能达到整个断面显微晶粒度≥3级的要求。

对比例4

对比例4与实施例1的区别在于，步骤C均匀化处理的温度为590℃。

对本发明对比例4制备的6N01铝合金型材，检测结果为，型材表面质量较差，出现了一定的起皮现象，经检查铸锭内部已出现了轻微过烧，但本发明对比例4制备得到的型材壁厚为1.2mm的位置，显微晶粒度为4.5级，壁厚为10mm的位置，显微晶粒度为4级，型材的整体晶粒度较好，满足高速动车组的晶粒度组织要求。

由实施例1、对比例3和对比例4的方法可知，对本发明采用的均匀化处理工艺采用的550～580℃的中高温均匀化，高温均匀化处理工艺有利于加强低扩散系数的Mn、Cr微量元素的扩散作用，加强了含Mn、Cr等金属间化合物的聚集长大，降低了这一类第二相颗粒型材发生再结晶的阻碍作用，使得在挤压过程中发生再结晶形核位置及数量变多，从而获得无表层粗晶环以及整个断面微观组织均匀一致的效果，同时通过合理的均匀化温度设置，避免了产品发生过烧等缺陷。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种轨道交通车体用薄壁6系铝型材，其特征在于，铝合金中的成分和重量百分比为：Si：0.50～0.65％、Fe≤0.25％、Cu≤0.10％、Mn：0.03～0.15％、Mg：0.45％～0.55％、Cr≤0.05％、Zn≤0.05％、Ti≤0.10％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

2.如权利要求1所述的轨道交通车体用薄壁6系铝型材，其特征在于，铝合金中的成分和重量百分比为：Si：0.50～0.65％、Fe≤0.25％、Cu≤0.10％、Mn：0.03～0.13％、Mg：0.45％～0.55％、Cr≤0.05％、Zn≤0.05％、Ti≤0.10％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

3.一种如权利要求1～2任一所述轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

E、挤压：将加热后的铝合金铸棒置于挤压机的挤压筒中进行挤压，得到6系铝合金薄壁型材，其中挤压速度为12～25m/min，挤压后铝合金薄壁型材的宽度为300～700mm，铝合金薄壁型材的壁厚为1～10mm

4.如权利要求3所述轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，其特征在于，步骤B采用半连续水冷铸造方式将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒。

5.如权利要求4所述轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，其特征在于，步骤B精炼过程中加入A1-5Ti-B丝精炼剂，在线除气采用双转子，氩气流量为3.2～7.1m³/h，氯气流量为0～0.05m³/h，转子转速为400～700r/min，过滤采用双层过滤板过滤。

6.如权利要求5所述轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，其特征在于，步骤D铝合金铸棒在电磁感应加热炉中加热，挤压机选择122MN非标卧式挤压机，挤压系数为30～100。

7.如权利要求6所述轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，其特征在于，步骤E挤压后铝合金薄壁型材的壁厚为1～5mm。

8.如权利要求7所述轨道交通车体用薄壁6系铝型材的制备方法，其特征在于，步骤F淬火方式采用风冷，风速控制在10～60m/s。