CN114438382B - 一种轨道铝型材 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道铝型材及其制备方法，主成分含量按质量百分比计：Mg含量占比为1.35‑1.5％，Si含量占比为0.1‑0.2％，Zn含量占比为2.0～4.0％且Zn＝2.7Mg，V含量占比为:0.09～0.12％，Mn含量占比为1.0～2.2％，Cu含量占比为3.5～4.5％，Cd含量占比为0.1～1.3％，Cr含量占比为0.1～0.3％，混合稀土0.1％，Ti含量占比为0.01～0.05％，Zr含量占比为0.04‑0.08％，余量为Al。所述方法通过质量配比配置原料、使用半连续铸造、优化挤压工序和固溶处理工序，极大地提高了轨道的强度、抗拉伸性能，从而使轨道的负载能力增强的同时使轨道滑槽的稳定性增加，满足了工业制造中对轨道性能的需要。
Description
技术领域
本发明涉及型材领域，具体涉及一种轨道铝型材及其加工工艺。
背景技术
铝合金作为一种轻量化的材料越来越被人们重视，应用的越来越广泛，轨道型材就开始使用铝合金型材。但简单的U型结构在部分轨道结构上不能够满足力学性能要求；同时传统的6系铝合金的轨道由于其强度不高也越来越不能满足轨道的需要，目前国内外的轨道型铝型材在强度方面最高360Mpa左右，只能满足符合1吨一以下的轻型吊装，并且在超过150摄氏度的高温环境下运行易变性，当吊装重量过重而轨道型材强度不够时，在摩擦力及滑动部件的重力作用下，滑槽侧壁会受损，导致轨道使用时精度下降。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明的目的是解决现有技术中存在的技术问题，提供一种强度大，承重能力强，滑槽精度不易改变的轨道铝型材及其制备工艺。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种轨道铝型材，主成分含量按质量百分比计：Mg含量占比为1.35-1.5%，Si含量占比为0.1-0.2%，Zn含量占比为2.0~4.0%且Zn=2.7Mg，V含量占比为:0.09 ~ 0.12%，Mn含量占比为1.0~2.2%，Cu含量占比为3.5~4.5%，Cd含量占比为0.1~1.3%，Cr含量占比为0.1~0.3%，混合稀土0.1%，Ti含量占比为0.01~0.05%，Zr含量占比为0.04-0.08%，余量为Al。
一种轨道铝型材的制备方法，包括如下步骤：
S101：在前述元素比例范围内，选定一组物质组合，确定质量比，根据需要配置的合金总量，推算出所需的每种物料的重量；
S102：根据重量选用纯度≥99.90%的单质金属原料或中间合金原料；
S103：在熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在730℃~740℃以上保温，加入Si、Mn、Mg、Cu、Zn原料，搅拌至熔化为液态后，再将炉温升至750~930摄氏度，加入V、Cd、Cr、Ti、Zr、混合稀土原料，搅拌熔化；
S104：使用氩气对对上述合金熔体进行熔体净化，炉内精炼，精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至650℃以上，合金液出炉，在线除气、除渣；
S105：用99%的纯铝铺底，在铸造温度730℃~740℃、铸造速度50-60mm/min、铸造水压0 .02- 0 .04MPa的工艺条件下将铝合金熔体半连续铸造成铝合金圆铸锭，铸造时在线加入Al-Ti-B丝，加入速度为280-320 mm/min；
S106：铝合金铸锭均质化处理，所述均质化处理的条件为：545℃~555℃均质化处理6 ~ 8h；
S107：将均质后的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，然后放入挤压机的挤压筒中进行挤压；所述头中尾分段加热温度分别为：棒头温度440 ~ 455℃、棒中温度425 ~ 435℃、棒尾温度400 ~ 410℃，挤出速度为3~5m/min。
进一步地，步骤S107中，挤压筒的加热保温温度为430~460℃，磨具加热温度为450~480℃，模具加热时间为3h。
进一步地，步骤S107中，挤压筒工作表面和胚料外表面上使用第一润滑剂，穿孔针表面使用第二润滑剂，所述第一润滑剂成分为：15%的颗粒尺寸为0.5μm的细铝粉、15%的粉状石墨、30%的汽缸油、40%的黄蜡，所述第二润滑剂成分为：50%的硅油和50%的粉状石墨。
进一步地，挤压成型后还包括如下步骤：挤出后在线淬火处理-矫直-外观质量检测-内部质量检测-固溶处理-时效-力学性能检验-精锯-表面处理-包装入库。
进一步地，所述挤出后在线淬火处理步骤中采取强风冷却。
进一步地，固溶处理步骤包括：将完成内部质量检测的型材送入固溶炉，在500~550℃下固溶处理，保温完成后使用油冷。
进一步地，矫直工序中，型材温度≤50℃时开始拉伸矫直，延伸率0.3~0.7%。
进一步地，精锯工序中，锯切端头切斜度不超过0.5°，定尺长度允许偏差1~5mm。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明通过添加混合稀土、调整主合金元素Zn含量以及设定特定合金成分组成，并使用高合金化大规格铸锭的半连续铸造技术，配合挤压、热处理工艺技术及消除材料内应力的制造方法，获得高精度轨道铝合金型材，极大的提高了材料的强度、室温拉伸性能、室温压缩性能、电导率、抗剥落腐蚀性能及综合性能。解决了工业上轨道铝型材承重量小，精度易改变的问题，满足工业实际生产对高强韧铝材的需求，对国家安全和社会效益影响深远，其战略意义和社会意义非常重大。本发明中混合稀土含量为它可以在已形成的晶粒界面上选择性地吸附,阻碍晶粒的生长,促使晶粒细化的作用。
2、本发明通过调整合金元素含量,减少高合金化铸锭铸造时产生裂纹提高了合金的强度：镁对铝的强化是明显的，试验表明随Zn、Mg含量增加σb升高，但延伸率会降低，同时Zn:Mg比值越大时合金的铸造裂纹倾向大，因此合金的强度和韧性在一定程度上是相互制约的。一种性能的提高的同时另一种性能降低，本发明设置Zn和Mg的含量范围降低Zn:Mg比值为2.7，保证合金的综合性能达到强度和韧性的良好匹配，减轻裂纹的同时对合金起到很好的强化作用能；实验表明每增加1%镁，抗拉强度大约升高约34MPa；加入1%~2%的锰，可以补充强化作用，同时可降低热裂倾向，还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能，另一方面当合金中Si含量越高，合金的热脆性越大，裂纹倾向增大，而在合金中若同时加Mg、Si时，会形成强化相为Mg2Si，所以本发明中控制Si含量0.7~1.0%；铜元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果，然而Cu含量较低时，也有助于防止铸锭裂纹，因此本发明控制Cu含量为3.5%~4.5%；Cu元素在合金中容易对合金的抗蚀性有不利影响，所以本发明中加入Cr0.1~0.3%，本发明中Cr还会形成(CrMn)Al12金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金起到一定的强化作用，同时也能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性；混合稀土，其熔于铝液中用来填补合金相的表面缺陷,从而降低新旧两相界面上的表面张力,使得晶核生长速度增，同时它还能在晶粒与合金液之间形成表面活性膜,阻止生成的晶粒长大,使合金的组织细化，当稀土含量不同时，稀土在铝合金中主要以固溶在基体α(Al)中，偏聚在相界、晶界和枝晶界，固溶在化合物中或以化合物形式存在这三种形式存在，因此本发明中为了使稀土元素的第二相出现粒子化、球化和细化来强化铝合金，控制混合稀土元素含量为0.1%，使稀土与合金中的其他元素开始形成许多含稀土元素的新相，同时使第二相的形状、尺寸发生变化,可能使得第二相从长条状等形状转变成短棒状粒子出现,粒子的尺寸也变得比较细小,且呈弥散分布；本发明中控制Ti含量0.01~0.05%加入Al-Ti-B丝作为中间合金，Ti与Al形成TiAl2相，来使铸造组织和焊缝组织细化；合金中的Zr含量对组织值影响较大，通过高倍组织分析，发现在Zr含量大时，会出现针状的Al3Zr相，经过均匀化处理后仍然完整的保留，Al3Zr相不能固溶或固溶程度极小，它的存在会降低塑性，因此本发明中控制Zr含量在0 .04-0 .08％范围内有利于提高其塑性，使裂纹扩展速度显著降低，并可抑制再结晶组织，细化晶粒形成亚晶结构，增加合金的淬透性。
3、本发明通过设定合理的挤压工艺，避免粗晶环的产生，保证组织的均匀和尺寸精度的要求，挤压时严格控制模具加热温度和挤压填充阶段速度，以减少因速度过快而造成堵模和压坏模具，挤压工艺是关键因素，制定合理的挤压工艺是型材成形的关键，本发明在挤压过程中给使用了两种润滑剂，减少了型材、挤压筒、穿孔针、工模具之间的磨损，而不会对型材和加压机器造成污染。整个挤压工艺保证制品的力学性能和组织均匀，有效减少或消除了粗晶环，残料厚度薄，生产效率、产品成品率高。
4、本发明采用严格的质量检测和固溶处理，使型材的强度稳定提高，同时消除其加工过程产生的残余应力避免了后续的加工变形，确保了型材的疲劳强度、抗应力腐蚀性能、尺寸稳定性与适用寿命达到应用要求。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种轨道铝型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Mg含量占比为1.5%，Si含量占比为0.2%，Zn含量占比为4.0%，V含量占比为0.12%，Mn含量占比为2.2%，Cu含量占比为4.4%，Cd含量占比为1.3%，Cr含量占比为0.3%，混合稀土0.1%，Ti含量占比为0.05%，Zr含量占比为0.08%，余量为Al。
该轨道铝型材的制备方法，包括如下步骤：
（1）根据重量选用纯度≥99.90%的单质金属原料；
（2）在熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在740℃以上保温，加入Si、Mn、Mg、Cu、Zn原料，搅拌至熔化为液态后，再将炉温升至930摄氏度，加入V、Cd、Cr、Ti、Zr、混合稀土原料，搅拌熔化；
（3）使用氩气对对上述合金熔体进行熔体净化，炉内精炼，精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至700℃，合金液出炉，在线除气、除渣；
（4）用99%的纯铝铺底，在铸造温度740℃、铸造速度55mm/min、铸造水压0 .03MPa的工艺条件下将铝合金熔体半连续铸造成铝合金圆铸锭，铸造时在线加入Al-Ti-B丝，加入速度为285 mm/min；
（5）铝合金铸锭均质化处理，所述均质化处理的条件为：552℃均质化处理6.5h；
（6）将均质后的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，然后放入挤压机的挤压筒中进行挤压；所述头中尾分段加热温度分别为：棒头温度450℃、棒中温度430℃、棒尾温度400℃，挤出速度为3.5m/min，挤压筒的加热保温温度为440℃，磨具加热温度为470℃，模具加热时间为3h，挤压筒工作表面和胚料外表面上使用第一润滑剂，穿孔针表面使用第二润滑剂，第一润滑剂成分为：15%的颗粒尺寸为0.5μm的细铝粉、15%的粉状石墨、30%的汽缸油、40%的黄蜡，所述第二润滑剂成分为：50%的硅油和50%的粉状石墨。
（7）挤出后在线淬火处理，采取强风冷却，冷却速度100℃/min。
（8）矫直，型材温度40℃时开始拉伸矫直，矫正量0.3~0.7%。
（9）外部质量检测，内部质量检测。
（10）固溶处理，将完成内部质量检测的型材送入固溶炉，在520℃下固溶处理，保温完成后使用油冷。
（11）进行双级人工时效处理，控制金属温度及保温时间为：一级118℃/5h；二级157℃/6 .5h，人工时效处理后得到用铝合金型材。
| 屈服强度 | 硬度 | 延伸率 | 抗拉伸 强度 | 断裂韧度 |
| 370MPa | 140HB | 3% | 481MPa | 100MPa/m<sup>2</sup> |
（12）力学性能检验，检验结果如下：
（13）精锯，锯切端头切斜度0°，定尺长度允许偏差1mm。
（14）表面处理，包装入库。
实施例2
一种轨道铝型材，主成分含量按质量百分比计：Mg含量占比为1.35%，Si含量占比为0.13%，Zn含量占比为3.4%，V含量占比为0.1%，Mn含量占比为2.0%，Cu含量占比为3.9%，Cd含量占比为0.7%，Cr含量占比为0.2%，混合稀土含量占比为0.1%，Ti含量占比为0.04%，Zr含量占比为0.06%，余量为Al。
该轨道铝型材的制备方法，包括如下步骤：
（1）根据重量选用纯度≥99.90%的单质金属原料；
（2）在熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在735℃以上保温，加入Si、Mn、Mg、Cu、Zn原料，搅拌至熔化为液态后，再将炉温升至900摄氏度，加入V、Cd、Cr、Ti、Zr、混合稀土原料，搅拌熔化；
（3）使用氩气对对上述合金熔体进行熔体净化，炉内精炼，精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至680℃，合金液出炉，在线除气、除渣；
（4）用99%的纯铝铺底，在铸造温度730℃、铸造速度58mm/min、铸造水压0 .04MPa的工艺条件下将铝合金熔体半连续铸造成铝合金圆铸锭，铸造时在线加入Al-Ti-B丝，加入速度为290 mm/min；
（5）铝合金铸锭均质化处理，所述均质化处理的条件为：548℃均质化处理7h；
（6）将均质后的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，然后放入挤压机的挤压筒中进行挤压；所述头中尾分段加热温度分别为：棒头温度445℃、棒中温度420℃、棒尾温度405℃，挤出速度为4.2m/min，挤压筒的加热保温温度为450℃，磨具加热温度为480℃，模具加热时间为3h，挤压筒工作表面和胚料外表面上使用第一润滑剂，穿孔针表面使用第二润滑剂，第一润滑剂成分为：15%的颗粒尺寸为0.5μm的细铝粉、15%的粉状石墨、30%的汽缸油、40%的黄蜡，所述第二润滑剂成分为：50%的硅油和50%的粉状石墨。
（7）挤出后在线淬火处理，采取强风冷却，冷却速度150℃/min。
（8）矫直，型材温度30℃时开始拉伸矫直，矫正量0.6%。
（9）外部质量检测，内部质量检测。
（10）固溶处理，将完成内部质量检测的型材送入固溶炉，在520℃下固溶处理，保温完成后使用油冷。
（11）进行双级人工时效处理，控制金属温度及保温时间为：一级120℃/5h；二级150℃/7h，人工时效处理后得到用铝合金型材。
（12）力学性能检验，检验结果如下表：
| 屈服强度 | 硬度 | 延伸率 | 抗拉伸强度 | 断裂韧度 |
| 372MPa | 140HB | 2.5% | 482MPa | 101MPa/m<sup>2</sup> |
（13）精锯，锯切端头切斜度0°，定尺长度允许偏差1mm。
（14）表面处理，包装入库。
实施例3
一种轨道铝型材，主成分含量按质量百分比计：Mg含量占比为1.4%，Si含量占比为0.15%，Zn含量占比为3.7%，V含量占比为0.10%，Mn含量占比为1.0%，Cu含量占比为3.5%，Cd含量占比为0.5%，Cr含量占比为0.1%，混合稀土含量占比为0.1%，Ti含量占比为0.01%，Zr含量占比为0.04%，余量为Al。
该轨道铝型材的制备方法，包括如下步骤：
（1）根据重量选用纯度≥99.90%的单质金属原料；
（2）在熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在735℃以上保温，加入Si、Mn、Mg、Cu、Zn原料，搅拌至熔化为液态后，再将炉温升至900摄氏度，加入V、Cd、Cr、Ti、Zr、混合稀土原料，搅拌熔化；
（3）使用氩气对对上述合金熔体进行熔体净化，炉内精炼，精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至660℃，合金液出炉，在线除气、除渣；
（4）用99%的纯铝铺底，在铸造温度740℃、铸造速度60mm/min、铸造水压0 .03MPa的工艺条件下将铝合金熔体半连续铸造成铝合金圆铸锭，铸造时在线加入Al-Ti-B丝，加入速度为280 mm/min；
（5）铝合金铸锭均质化处理，所述均质化处理的条件为：555℃均质化处理6h；
（6）将均质后的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，然后放入挤压机的挤压筒中进行挤压；所述头中尾分段加热温度分别为：棒头温度440℃、棒中温度420℃、棒尾温度400℃，挤出速度为5m/min，挤压筒的加热保温温度为430℃，磨具加热温度为480℃，模具加热时间为3h，挤压筒工作表面和胚料外表面上使用第一润滑剂，穿孔针表面使用第二润滑剂，第一润滑剂成分为：15%的颗粒尺寸为0.5μm的细铝粉、15%的粉状石墨、30%的汽缸油、40%的黄蜡，所述第二润滑剂成分为：50%的硅油和50%的粉状石墨。
（7）挤出后在线淬火处理，采取强风冷却，冷却速度150℃/min。
（8）矫直，型材温度40℃时开始拉伸矫直，矫正量0.7%。
（9）外部质量检测，内部质量检测。
（10）固溶处理，将完成内部质量检测的型材送入固溶炉，在520℃下固溶处理，保温完成后使用油冷。
（11）进行双级人工时效处理，控制金属温度及保温时间为：一级120℃/5h；二级150℃/7h，人工时效处理后得到用铝合金型材。
（12）力学性能检验，检验结果如下表：
（13）精锯，锯切端头切斜度0°，定尺长度允许偏差1mm。
（14）表面处理，包装入库。
| 屈服强度 | 硬度 | 延伸率 | 抗拉伸强度 | 断裂韧度 |
| 368MPa | 140HB | 3% | 475MPa | 98MPa/m<sup>2</sup> |
以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种轨道铝型材，其特征在于，主成分含量按质量百分比计： Mg含量占比为1.35-1.5%，Si含量占比为0.1-0.2%，Zn含量占比为3.645~4.0%且Zn=2.7Mg，V含量占比为:0.09 ~0.12%，Mn含量占比为 1.0~2.2%，Cu含量占比为3.5~4.5%，Cd含量占比为0.1~1.3%，Cr含 量占比为0.1~0.3%，混合稀土0.1%，Ti含量占比为0.01~0.05%，Zr 含量占比为0.04-0.08%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的轨道铝型材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：在前述元素比例范围内，选定一组物质组合，确定质量比， 根据需要配置的合金总量，推算出所需的每种物料的重量；
S102：根据重量选用纯度≥99.90%的单质金属原料或中间合金原 料；S103：在熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在730℃~740℃ 以上保温，加入Si、Mn、Mg、Cu、Zn原料，搅拌至熔化为液态后， 再将炉温升至750~930摄氏度，加入V、Cd、Cr、Ti、Zr、混合稀土 原料，搅拌熔化；
S104：使用氩气对上述合金熔体进行熔体净化，炉内精炼，精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至650℃以上，合金液出炉，在线除气、 除渣；
S105：用99%的纯铝铺底，在铸造温度730℃~740℃、铸造速度 50- 60mm/min、铸造水压0 .02- 0 .04MPa的工艺条件下将铝合金熔体半连续铸造成铝合金圆铸锭，铸造时在线加入Al-Ti-B丝，加入速度 为280- 320 mm/min；
S106：铝合金铸锭均质化处理，所述均质化处理的条件为：545℃ ~555℃均质化处理6~ 8h；
S107：将均质后的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，然后放入挤 压机的挤压筒中进行挤压；所述头中尾分段加热温度分别为：棒头温 度440 ~ 455℃、棒中温度425 ~ 435℃、棒尾温度400 ~ 410℃，挤出速 度为3~5m/min。
3. 根据权利要求2所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在于，在 所述步骤S107中，挤压筒的加热保温温度为430~460℃，模具加热温 度为450~480℃，模具加热时间为3h。
4.根据权利要求3所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在于，在 所述步骤S107中，挤压筒工作表面和胚料外表面上使用第一润滑剂， 穿孔针表面使用第二润滑剂，所述第一润滑剂成分为：15%的颗粒尺 寸为0.5μm的细铝粉、15%的粉状石墨、30%的汽缸油、40%的黄蜡， 所述第二润滑剂成分为：50%的硅油和50%的粉状石墨。
5.根据权利要求2所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在 于，所述挤压成型后还包括如下步骤：挤出后在线淬火处理-矫直- 外观质量检测-内部质量检测-固溶处理-时效-力学性能检验-精锯-表 面处理-包装入库。
6.根据权利要求5所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在 于,所述挤出后在线淬火处理步骤中采取强风冷却。
7. 根据权利要求5所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在 于,所述固溶处理步骤包括：将完成内部质量检测的型材送入固溶炉， 在500~550℃下固溶处理，保温完成后使用油冷。
8.根据权利要求5所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在 于,在所述矫直工序中，型材温度≤50℃时开始拉伸矫直，延伸率 0.3~0.7%。
9.根据权利要求5所述的一种轨道铝型材的制备方法，其特征在 于,在所述精锯工序中，锯切端头切斜度不超过0.5°，定尺长度允许 偏差1~5mm。
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