CN112176263A - 一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺及该异形型材的应用 - Google Patents

一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺及该异形型材的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺及该异形型材的应用，该生产工艺包括原料选择、双级均匀化处理、车皮处理、挤压处理、在线固溶热处理、张力拉伸处理和单级时效处理；该超大轮廓异形铝合金型材在地铁车辆制造中的应用。在该生产工艺中，将双级均匀化处理、在线固溶热处理及单级时效处理相结合，并对处理过程中的参数进行调整，使该大轮廓异形铝合金型材能够一体成型，且通过该工艺获得的异形型材具有强度高、承载力强、抗疲劳性及耐蚀性强的优点；将该异形型材应用于地铁中，能够适应地铁的高承重和高速运行需求。

Description

一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺及该异形型材的 应用
技术领域
本发明涉及铝合金热挤压制造技术领域，具体涉及一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺及该异形型材的应用。
背景技术
铝合金型材具有强度高、材质轻的优点，使其具有广泛的应用前景。轨道交通车辆的地板、边梁等具有承重作用的部位多采用铝合金型材，使车辆具有质量好、重量轻。
现有的轨道交通车辆在制造过程中，通常将地板、边梁分别制造，然后拼装焊接，完成地板和边梁的连接。然而，随着轨道交通的大力发展，对轨道交通车辆的要求也越来越高，承重方面的要求则是其中之一。以地铁来说，具有承重量大、速度快的优点，而现有的拼装焊缝工艺明显不能满足地铁车辆的承重和高速要求；因此，提供一种一体成型的生产工艺生产适于地铁应用的大轮廓异形铝合金型材具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺及该异形型材的应用，在该生产工艺中，将双级均匀化处理、在线固溶热处理及单级时效处理相结合，并对处理过程中的参数进行调整，使该大轮廓异形铝合金型材能够一体成型，且通过该工艺获得的异形型材具有强度高、承载力强、抗疲劳性及耐蚀性强的优点；将该异形型材应用于地铁中，能够适应地铁的高承重和高速运行需求。
本发明的技术方案如下：
一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，过程如下：
(1)原料选择：选用6XXX系铝合金圆铸棒作为原料，备用；
(2)双级均匀化处理：对步骤(1)的圆铸棒进行双级均匀化处理；
(3)车皮处理：将步骤(2)处理后的圆铸棒进行车皮；车皮过程采用车床进行，通过对圆铸棒车皮，去除其表面的氧化层，对圆铸棒表面进行整理，使成品表面平整；
(4)挤压处理：将步骤(3)车皮处理后的圆铸棒进行挤压，获得型材坯；
(5)在线固溶热处理：将步骤(4)挤压后的型材坯进行在线固溶热处理；
(6)张力拉伸处理：将经过步骤(5)处理后的型材坯进行张力拉伸处理，变形量为1-2％；
(7)单级时效处理：将步骤(6)处理后的型材坯进行单级时效处理，得到超大轮廓异形型材。
6XXX系铝合金是以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金，属于热处理可强化铝合金。合金具有中等强度，耐蚀性高，无应力腐蚀破裂倾向，焊接性能良好，焊接区腐蚀性能不变，成形性和工艺性能良好等优点。
双级均匀化处理，能消除铸锭中Mg、Si浓度分布的不均匀性和Mg2Si相的偏聚，促进不溶相AlFeSi化合物的β-α转化，使铸锭的显微组织中即没有较多的Mg2Si析出，且存在细小的、在挤压过程中起抑制再结晶作用的含Mn、Cr金属间化合物质点，改善其内部的结晶组织，消除圆铸棒内的应力，通过双级均匀化处理，进一步提高圆铸棒的延展性和韧性，避免后续挤压时产生裂纹等现象。
本发明中的超大轮廓异形铝合金型材是指型材外接圆直径大于550mm的异型材。
优选的，所述6XXX系铝合金，由以下重量百分比的成分组成：
Si 0.55-0.85％，Fe 0.10-0.15％，Cu≤0.20％，Mn≤0.3％，Mg 0.5-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.10％，Ti 0.02-0.08％，Mn+Cr 0.12-0.50％，Pb＜0.01％，余量为Al和不可避免的杂质。
本发明中，Si、Mg、Al、Fe的加入，形成强化相Mg2Si和针状或片状的βAlFeSi；Mn和Cr的加入，可抑制铝合金中组分之间产生再结晶，促进βAlFeSi相转变和均匀变形，提高铝合金的延展性和韧性。
本发明中，降低Fe元素的含量，减小有利于裂纹扩展的金属间化合物的尺寸和数量，所以可以提高铝合金型材的断裂韧性，但Fe含量没有必要控制≤0.10％，低铁铝锭成本较高，也不好采购，更重要的是Fe元素在一定的范围内对晶粒细化有好处，经过实验证明：最佳Fe含量为0.10-0.15％，Fe含量过低，晶粒粗大，对材料的表面处理性能不利，降低表面亮度，甚至出现暗斑、条纹及其他表面缺陷，因此，可不增加过多成本的基础上，提高铝合金型材的抗疲劳性能，铝合金型材中控制Fe重量百分含量为0.10-0.15％。
在Mn和Cr存在时，双级均匀化处理后的组织中析出了弥散细小的含Mn、Cr的质点，针状或片状的βAlFeSi基本转化成了较粗大的粒状相αAlFeSi，AlFeSi相的β-α转化可以降低脆断效应，改善合金的挤压性能，提高表面质量；在经过挤压处理后，铝合金组织成为纤维状未再结晶组织，可较大地提高合金强度，降低对应力腐蚀开裂的敏感性，改善合金的韧性；经在线固溶热处理后，使铝合金型材内部的强化相充分固溶，并通过单级时效处理后使强化相细小弥散分出，提高铝合金型材的强度。
相比于6005A铝合金(现有技术中常用的铝合金，机械性能Rm≥255MPa，Rp0.2≥215MPa，A≥6％，具有优良的挤压性、焊接性、耐腐性及中等的强度)，本发明中，降低Fe元素的含量，减小有利于裂纹扩展的金属间化合物的尺寸和数量，以提高铝合金型材的断裂韧性，在不增加成本的基础上，提高铝合金型材的抗疲劳性能。
相比于6005A铝合金，本发明中，加入微量的T i元素，可以细化铸造组织、减少开裂倾向，提高合金的力学性能；Ti加入铝中形成Al3Ti，与熔体产生包晶反应而成为非自发核心，起到细化作用，同时还提高再结晶温度，提高铝合金型材的耐蚀性，降低生产成本。因此铝合金管材中控制Ti重量百分含量为0.02-0.08％。
优选的，在步骤(2)中，双级均匀化处理的具体过程为：将圆铸棒加热到450-480℃，保温8-12h；然后加热至550-570℃，保温5-8h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒。
进一步的，所述加热速率为23-25℃/min。
优选的，在步骤(2)与步骤(3)之间，设有超声波探伤步骤：对步骤(2)双级均匀化处理后的圆铸棒100％进行超声波探伤，达到GB/T 6519中B级探伤要求后，进行步骤(3)的车皮处理；该设置，可保证成品原料的质量。
优选的，在步骤(4)中，挤压处理的具体过程为：将经过步骤(3)车皮处理后的圆铸棒加热到500-515℃，进行挤压，挤压比为25-45，挤压速度为1.3-1.8mm/s。
优选的，在步骤(5)中，在线固溶热处理的具体过程为：将挤压的型材坯直接进入淬火风槽进行冷却，冷却速度为55-65℃/s。
优选的，在步骤(7)中，所述单级时效的条件为：在160-185℃下保温5-12h。
使用上述生产工艺获得的超大轮廓异形铝合金型材，包括地板和边梁，所述地板与边梁一体成型；
所述地板的远离边梁的一端设有两个第一连接耳，第一连接耳与地板一体成型；
所述边梁的顶端设有两个第二连接耳，第二连接耳与边梁一体成型；
通过本发明提供的生产工艺，获得的超大轮廓异形铝合金型材中，地板与第一连接耳、地板与边梁、边梁与第二连接耳均为一体成型的方式连接，这种连接方式有效减少了现有技术中拼装焊接的焊缝数量，提高产品的承载力，且通过本发明的生产工艺控制，实现了超大轮廓异形铝合金型材质量的一致性，提高了合格率。
上述超大轮廓异形铝合金型材的应用，具体为其在地铁车辆制造中的应用。目前，在使用该超大轮廓异形铝合金型材在地铁车辆制造时，将两块型材镜面放置，然后在左右两块型材之间放置3块横板，先将3块横板焊接为整体，定义为焊接板，然后将焊接板的两端分别与第一连接耳拼接，然后在拼接处进行焊接，使两块型材与焊接板连接为整体，完成车辆车厢的底板和边梁焊接；在车辆车厢的底板和边梁成为整体的过程中，焊接位点有4个，而采用图2(现有技术的型材)所示的型材在制备相同的车辆车厢时，焊接位点额外增加2个，可见，相较于现有技术，焊接位点明显减少。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明在工艺上采用双级均匀化处理、在线固溶热处理、单级时效处理等热处理工艺，起到消除枝晶偏析、溶解非平衡相、沉淀过饱和的过渡元素的作用，同时，降低再结晶温度，还使晶内普遍脱溶，降低晶内和晶间的电位差，从而提高型材的强度、可焊性和抗疲劳性能。
2、通过选用6XXX系铝合金原料，配合本发明的生产工艺，一方面可抑制强化相之间产生再结晶，促进βAlFeSi相转变和均匀变形，提高铝合金的延展性和韧性；另一方面可以避免Mn和Cr添加量过多而引起粗大的化合物形成，进而提高铝合金的合金性能。
3、本发明工艺获得的超大轮廓异形铝合金型材的性能如下：
①拉伸性能，Rm≥255MPa，Rp0.2≥215MPa，A≥8％；
②耐剥落腐蚀性能，不出现GB/T 22639中EA级以下(不包括EA级)的剥落腐蚀；
③耐盐雾腐蚀性能，暴露在中性盐水喷雾试验(NSS)环境中1000小时后型材不出现9级以下(不含9级)的盐雾腐蚀(面积法)；
④疲劳性能：在R＝0.1、N＝1×107周次下，光滑试样疲劳强度σ≥122MPa；
⑤生产成本较现有技术同类产品降低10-20％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1获得的超大轮廓异形铝合金型材结构示意图。
图2为现有技术的地板与边梁连接示意图。
图3为两块超大轮廓异形铝合金型材及横板连接示意图。
图中，1-地板，2-第一连接耳，3-边梁，4-第二连接耳，5-横板，6-焊接位点。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种6XXX系铝合金的铝合金，由以下重量百分比的成分组成：
Si 0.6％，Fe 0.14％，Cu 0.02％，Mn 0.2％，Mg 0.63％，Cr 0.15％，Zn 0.01％，Ti 0.05％，Pb 0.007％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述铝合金挤压成超大轮廓异形型材的工艺，过程如下：
(1)按铝合金的配料混合、熔炼，铸造成圆铸棒；
(2)双级均匀化处理：对圆铸棒进行双级均匀化处理；双级均匀化处理的具体过程为：在加热速率为24℃/min的条件下，将圆铸棒加热到470℃，保温10h；然后加热至560℃，保温8h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；
(3)车皮处理：按照GB/T 6519中B级探伤要求，对步骤(2)处理后的圆铸棒100％进行超声波探伤；然后对圆铸棒进行车皮；车皮过程才用剥皮机进行，通过对圆铸棒车皮，去除其表面的氧化层，对圆铸棒表面进行整理，使成品表面平整；
(4)挤压处理：将步骤(3)车皮处理后的圆铸棒进行挤压，获得型材坯；将经过步骤(3)车皮处理后的圆铸棒加热到515℃，进行挤压，挤压比为35，挤压速度为1.6mm/s；
(5)在线固溶热处理：将步骤(4)挤压后的型材坯进行在线固溶热处理；在线固溶热处理的具体过程为：将挤压的型材坯直接进入淬火风槽进行冷却，冷却速度为58℃/s；
(6)张力拉伸处理：将经过步骤(5)处理后的型材坯进行张力拉伸处理，变形量为1.0％；
(7)单级时效处理：将步骤(6)处理后的型材坯进行单级时效处理，所述单级时效的条件为：在175℃下保温8h，得到超大轮廓异形型材。
上述超大轮廓异形型材的力学性能，如下：
拉伸性能：Rm为290MPa，Rp0.2为250MPa，A为12.0％；其性能指标完全达到TB标准对动车组用铝及铝合金的要求；
疲劳性能：在R＝0.1、N＝1×107周次下，光滑试样疲劳强度σ≥122MPa；
耐剥落腐蚀性能:未出现GB/T 22639中PA级以下的剥落腐蚀；
耐盐雾腐蚀性能:暴露在中性盐水喷雾试验(NSS)环境中1000小时后型材未出现9.3级以下的盐雾腐蚀。
实施例2
一种6XXX系铝合金，由以下重量百分比的成分组成：
Si 0.55％，Fe 0.11％，Cu 0.018％，Mn 0.07％，Mg 0.69％，Cr 0.05％，Zn0.05％，Ti 0.02％，Pb 0.006％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述铝合金挤压成超大轮廓异形型材的工艺，过程如下：
(1)按铝合金的配料混合、熔炼，铸造成圆铸棒；
(2)双级均匀化处理：对圆铸棒进行双级均匀化处理；双级均匀化处理的具体过程为：在加热速率为23℃/min的条件下，将圆铸棒加热到450℃，保温12h；然后加热至550℃，保温5h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；
(3)车皮处理：按照GB/T 6519中B级探伤要求，对步骤(2)处理后的圆铸棒100％进行超声波探伤；然后对圆铸棒进行车皮；车皮过程才用剥皮机进行，通过对圆铸棒车皮，去除其表面的氧化层，对圆铸棒表面进行整理，使成品表面平整；
(4)挤压处理：将步骤(3)车皮处理后的圆铸棒进行挤压，获得型材坯；将经过步骤(3)车皮处理后的圆铸棒加热到500℃，进行挤压，挤压比为25，挤压速度为1.3mm/s；
(5)在线固溶热处理：将步骤(4)挤压后的型材坯进行在线固溶热处理；在线固溶热处理的具体过程为：将挤压的型材坯直接进入淬火风槽进行冷却，冷却速度为55℃/s；
(6)张力拉伸处理：将经过步骤(5)处理后的型材坯进行张力拉伸处理，变形量为1.5％；
(7)单级时效处理：将步骤(6)处理后的型材坯进行单级时效处理，所述单级时效的条件为：在160℃下保温10h，得到超大轮廓异形型材。
上述超大轮廓异形型材的力学性能，如下：
拉伸性能：Rm为275MPa，Rp0.2为240MPa，A为13.5％；其性能指标完全达到TB标准对动车组用铝及铝合金的要求；
疲劳性能：在R＝0.1、N＝1×107周次下，光滑试样疲劳强度σ≥122MPa；
耐剥落腐蚀性能:未出现GB/T 22639中PA级以下的剥落腐蚀；
耐盐雾腐蚀性能:暴露在中性盐水喷雾试验(NSS)环境中1000小时后型材未出现9.3级以下的盐雾腐蚀。
实施例3
一种6XXX系铝合金，由以下重量百分比的成分组成：
Si 0.85％，Fe 0.13％，Cu 0.01％，Mn 0.26％，Mg 0.5％，Cr 0.24％，Zn 0.08％，Ti 0.08％，Pb 0.001％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述铝合金挤压成超大轮廓异形型材的工艺，过程如下：
(1)按铝合金的配料混合、熔炼，铸造成圆铸棒；
(2)双级均匀化处理：对圆铸棒进行双级均匀化处理；双级均匀化处理的具体过程为：在加热速率为25℃/min的条件下，将圆铸棒加热到480℃，保温12h；然后加热至570℃，保温8h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；
(3)车皮处理：按照GB/T 6519中B级探伤要求，对步骤(2)处理后的圆铸棒100％进行超声波探伤；然后对圆铸棒进行车皮；车皮过程才用剥皮机进行，通过对圆铸棒车皮，去除其表面的氧化层，对圆铸棒表面进行整理，使成品表面平整；
(4)挤压处理：将步骤(3)车皮处理后的圆铸棒进行挤压，获得型材坯；将经过步骤(3)车皮处理后的圆铸棒加热到513℃，进行挤压，挤压比为45，挤压速度为1.8mm/s；
(5)在线固溶热处理：将步骤(4)挤压后的型材坯进行在线固溶热处理；在线固溶热处理的具体过程为：将挤压的型材坯直接进入淬火风槽进行冷却，冷却速度为65℃/s；
(6)张力拉伸处理：将经过步骤(5)处理后的型材坯进行张力拉伸处理，变形量为2.0％；
(7)单级时效处理：将步骤(6)处理后的型材坯进行单级时效处理，所述单级时效的条件为：在185℃下保温12h，得到超大轮廓异形型材。
上述超大轮廓异形型材的力学性能，如下：
拉伸性能：Rm为291MPa，Rp0.2为245MPa，A为12.5％；其性能指标完全达到TB标准对动车组用铝及铝合金的要求；
疲劳性能：在R＝0.1、N＝1×107周次下，光滑试样疲劳强度σ≥122MPa；
耐剥落腐蚀性能:未出现GB/T 22639中PA级以下的剥落腐蚀；
耐盐雾腐蚀性能:暴露在中性盐水喷雾试验(NSS)环境中1000小时后型材未出现9.3级以下的盐雾腐蚀。
实施例4
图1展示了使用实施例1生产工艺获得的超大轮廓异形铝合金型材，包括地板1和边梁3，地板1与边梁3一体成型；
地板1的远离边梁3的一端设有两个第一连接耳2，第一连接耳2与地板1一体成型；在本申请中，两个第一连接耳2均为月牙形，且第一连接耳2的弧相对设置，该设置，便于将两块型材连接为整体；
边梁3的顶端设有两个第二连接耳4，第二连接耳4与边梁3一体成型；本申请中，两个第二连接耳4的顶端均一体成型有卡头5，便于与车厢侧壁连接；
在该超大轮廓异形铝合金型材中，地板1与第一连接耳2、地板1与边梁3、边梁3与第二连接耳4均采用一体成型的方式连接，这种连接方式有效减少了现有技术中(图2所示)拼装焊接的焊缝数量，提高产品的承载力，且通过本发明的生产工艺控制，实现了超大轮廓异形铝合金型材质量的一致性，提高了合格率；
参考图3，上述超大轮廓异形铝合金型材在地铁车辆制造中应用时，将两块型材镜面放置，然后在左右两块型材之间放置3块横板6，先将3块横板6焊接为整体，定义为焊接板，然后将焊接板的两端分别与第一连接耳2拼接，然后在拼接处进行焊接，使两块型材与焊接板连接为整体，完成车辆车厢的底板和边梁焊接；在车辆车厢的底板和边梁成为整体过程中，焊接位点7有4个，而采用图2(现有技术的型材)所示的型材在制备相同的车辆车厢时，焊接位点7额外增加2个，明显增加了焊接位点7的个数，可见，本发明的超大轮廓异形铝合金型材在地铁中应用，会减少焊缝数量，提高车辆的强度。

Claims (10)

1.一种超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，过程如下：
(1)原料选择：选用6XXX系铝合金圆铸棒作为原料，备用；
(2)双级均匀化处理：对步骤(1)的圆铸棒进行双级均匀化处理；
(3)车皮处理：将步骤(2)处理后的圆铸棒进行车皮；
(4)挤压处理：将步骤(3)车皮处理后的圆铸棒进行挤压，获得型材坯；
(5)在线固溶热处理：将步骤(4)挤压后的型材坯进行在线固溶热处理；
(6)张力拉伸处理：将经过步骤(5)处理后的型材坯进行张力拉伸处理，变形量为1-2％；
(7)单级时效处理：将步骤(6)处理后的型材坯进行单级时效处理，得到超大轮廓异形型材。
2.如权利要求1所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，在步骤(1)中，6XXX系铝合金，由以下重量百分比的成分组成：
Si 0.55-0.85％，Fe 0.10-0.15％，Cu≤0.20％，Mn≤0.3％，Mg 0.5-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.10％，Ti 0.02-0.08％，Mn+Cr 0.12-0.50％，Pb＜0.01％，余量为Al和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，在步骤(2)中，双级均匀化处理的具体过程为：将圆铸棒加热到450-480℃，保温8-12h；然后加热至550-570℃，保温5-8h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒。
4.如权利要求3所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，加热速率为23-25℃/min。
5.如权利要求1或2所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，在步骤(2)与步骤(3)之间，设有超声波探伤步骤：对步骤(2)双级均匀化处理后的圆铸棒100％进行超声波探伤，达到GB/T 6519中B级探伤要求后，进行步骤(3)的车皮处理。
6.如权利要求1或2所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，在步骤(4)中，挤压处理的具体过程为：将经过步骤(3)车皮处理后的圆铸棒加热到500-515℃，进行挤压，挤压比为25-45，挤压速度为1.3-1.8mm/s。
7.如权利要求1或2所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，在步骤(5)中，在线固溶热处理的具体过程为：将挤压的型材坯直接进入淬火风槽进行冷却，冷却速度为55-65℃/s。
8.如权利要求1或2所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺，其特征在于，在步骤(7)中，所述单级时效的条件为：在160-185℃下保温5-12h。
9.使用如权利要求1-8任一项所述的超大轮廓异形铝合金型材的生产工艺获得的超大轮廓异形铝合金型材，其特征在于，包括地板和边梁，所述地板与边梁一体成型；
所述地板的远离边梁的一端设有两个第一连接耳，第一连接耳与地板一体成型；
所述边梁的顶端设有两个第二连接耳，第二连接耳与边梁一体成型。
10.对权利要求9所述的超大轮廓异形铝合金型材的应用，其特征在于，具体为该型材在地铁车辆制造中的应用。
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