6×××系鋁合金擠壓型材彎曲性能提升工藝研究

于金鳳，吳敬哲

（叢林集團有限公司，龍口 265705）

6×××系鋁合金擠壓型材彎曲性能提升工藝研究

于金鳳，吳敬哲

（叢林集團有限公司，龍口 265705）

研究了時效工藝和在線冷卻強度對6005A、6N01合金型材彎曲性能的影響。結(jié)果表明：通過調(diào)控6005A合金的時效溫度，可改善其彎曲性能。隨在線冷卻速率的提高，6N01合金型材的延伸率增加。控制型材出口溫度在500～530℃之間，在線冷卻強度達到300℃/min，時效制度為165℃×8h時，可滿足型材的彎曲性能要求。

6×××鋁合金；彎曲性能； 在線冷卻強度；時效工藝

0 前言

隨著我國高速列車的發(fā)展，運行里程逐漸增長，運行條件復(fù)雜多變，車體型材在運行過程中受到不同程度的應(yīng)力作用，對越來越多的型材提出彎曲性能要求。彎曲試驗是測定金屬材料的塑性變形能力的，金屬材料在彎曲載荷下，達到規(guī)定的彎曲角度不發(fā)生彎曲，則合格。為改善合金的彎曲性能，則應(yīng)在滿足合金的強度基礎(chǔ)上，提升合金的韌性（或塑性）[1、2]。為此，研究了型材的時效工藝及在線淬火工藝參數(shù)，解決型材彎曲性能不合格的問題。

1 試驗方法

1.1 彎曲實驗

在UH-F300KNX液壓萬能試驗機上進行180°的彎曲實驗，支輥式彎曲試驗裝置如圖1所示。其中：彎曲試驗方法按《TB/T 3260.1-2011》執(zhí)行，彎曲試樣按《TB/T3260.4-2011》執(zhí)行。結(jié)果判定：試樣彎到180°后試樣自邊緣2mm以外的彎曲外表面不允許產(chǎn)生任何裂紋。

圖1 支輥式彎曲試驗裝置

1.2 試驗用料及工藝

本實驗選取壁厚為2.5mm的6005A、6N01鋁合金大斷面擠壓型材，其化學(xué)成分見表1。鋁合金鑄錠采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)，經(jīng)均勻化處理，以消除晶內(nèi)偏析，使成分更加均勻。采用70MN油壓雙動臥式擠壓機進行擠壓，控制型材出口溫度在500～530℃之間。

表1 6N01和6005A合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 時效工藝對彎曲性能的影響

由圖2可知，在155℃、165℃、175℃時效時，合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率隨著時效時間的變化沒有明顯的變化。在同一時效時間下，隨時效溫度的降低，抗拉強度、屈服強度降低，延伸率升高。155℃條件下時效，延伸率優(yōu)于165℃下時效；165℃條件下時效，延伸率明顯優(yōu)于175℃下時效。相反，155℃下時效的型材強度最低。

圖2 不同時效制度對6005A合金力學(xué)性能的影響

表2 時效工藝對6005A合金彎曲性能的影響

彎曲性能反映的是金屬材料的塑性變形能力，延伸率也是塑性指標(biāo)，可通過延伸率的提高表征彎曲性能的提高。按照《TB/T3260.4-2011動車組用鋁及鋁合金 第4部分：型材》標(biāo)準，6005A、6N01合金型材力學(xué)性能滿足：Rm≥245 MPa ；RP0.2≥205MPa；A≥8%。由圖2和表2知，對6005A合金，175℃下時效7h、8h、9h后，型材的強度最高，延伸率在10%～11%之間，彎曲試驗后型材斷裂嚴重；165℃下時效7h、8h、9h后，延伸率在13%～14%之間，型材經(jīng)彎曲試驗后表面存在微裂紋，彎曲性能不合格；155℃下時效7h、8h、9h后，型材的延伸率最高，在14.5%～15.5%之間，彎曲性能合格，且型材的強度滿足要求。因此，6005A合金型材，在155℃下時效處理7h、8h、9h后，延伸率大于14.5%，可滿足型材的彎曲性能合格。

由圖3、表3可知，隨時效工藝的變化6N01合金型材強度、延伸率的變化規(guī)律與6005A合金型材相同。175℃下時效7h、8h、9h后，延伸率在10%～11.5%之間，彎曲斷裂嚴重。165℃下時效7h、8h后，延伸率在14.5%～16%之間，彎曲試樣表面微裂紋，且型材的屈服強度在195～205MPa之間，低于205MPa的標(biāo)準要求，力學(xué)性能不合格；165℃下時效9h后，力學(xué)性能達到標(biāo)準要求，但彎曲表面出現(xiàn)裂紋，彎曲性能不合格。155℃下時效7h、8h、9h后，延伸率在17.5%～19%之間，型材經(jīng)180°彎曲后表面無明顯裂紋，彎曲性能合格，但屈服強度明顯低于205MPa，力學(xué)性能不合格。因此，通過時效處理并不能滿足6N01合金型材的性能要求。

圖3 不同時效制度對6N01合金力學(xué)性能的影響

表3 時效工藝對6N01合金彎曲性能的影響

鋁合金時效過程中析出彌散的析出相，這些析出物顆粒細小，數(shù)目巨大。Al-Mg-Si合金的時效析出序列為GP區(qū)→β"→β'(過渡相）→β(平衡相)。在時效過程中首先形成數(shù)目眾多的原子團簇，然后是形成與基體共格的 GP 區(qū)，接著是半共格的針狀β"相，棒狀β'相。這些橫縱交錯的針狀β"相和棒狀β'相、能夠有效阻礙位錯的運動，提高強度，降低塑性。而且這些顆粒比基體硬，位錯滑移要通過這些顆粒，只能以繞過的方式進行，在繞過過程中，不斷形成新的位錯源，位錯大量增殖，進而形成位錯胞、位錯墻、位錯網(wǎng)纏結(jié)在一起，合金的強度得到提高，塑性降低[3]。在欠時效狀態(tài)下，隨著時效溫度的升高，型材的強度提高，塑性降低。在適當(dāng)降低時效溫度的情況下，提升材料的塑性，從而提升其彎曲性能。

2.2 在線冷卻強度對彎曲性能的影響

針對上述實驗結(jié)果，通過時效工藝調(diào)整并不能改善6N01合金型材的彎曲性能，繼續(xù)進行6N01合金型材的在線冷卻強度研究。鋁型材擠壓成型后在保證型材出口溫度在520℃以上的前提下，采用不同的在線冷卻強度冷卻型材，冷卻速率分別為：170℃/min 、200℃/min、240℃/min、270℃/min、300℃/min、450℃/min，時效制度為175℃×8h、165℃×8h。保證型材出口溫度在520℃以上，是為保證擠壓加熱溫度。擠壓加熱溫度越高，擠壓前固溶體的過飽和程度越大，擠壓過程中Mg、Si等合金元素會繼續(xù)溶入基體中，增大基體的過飽和固溶程度，增大時效時β'相的形核驅(qū)動力，使β'相細化[4]。

圖4所示為175℃×8h的時效制度下，不同在線冷卻速率下型材的力學(xué)性能變化曲線，型材的抗拉強度和屈服強度沒有明顯的變化，延伸率隨在線冷卻速率的增加而增加。結(jié)合表4中彎曲性能結(jié)果，隨在線冷卻速率的增加，型材經(jīng)時效處理后延伸率越高，彎曲試驗后斷裂程度逐漸變小。型材的在線冷卻速率達450℃/min，時效制度為175℃×8h時，延伸率為18.5%，彎曲性能合格，且力學(xué)性能滿足標(biāo)準要求。

圖4 經(jīng)175℃×8h時效，在線冷卻速率對力學(xué)性能的影響

表4 經(jīng)175℃×8h時效，在線冷卻速率對彎曲性能的影響

圖5為165℃×8h的時效制度下，不同在線冷卻速率下型材的力學(xué)性能變化曲線，其中在線冷卻速率對力學(xué)性能的變化規(guī)律與圖4中一致，表5中在線冷卻速率對彎曲性能的變化規(guī)律與表4中一致。根據(jù)表5中彎曲性能結(jié)果，在165℃×8h的時效制度下，在線冷卻速率為170℃/min、200℃/min、240℃/min時，仍不能滿足彎曲性能要求；在線冷卻速率為270℃/min時，型材的彎曲性能合格，但屈服強度為200MPa，低于標(biāo)準要求；在線冷卻速率為300℃/min時，型材的彎曲性能合格，且型材的力學(xué)性能合格。因此，在線冷卻速率達到300 ℃/min，時效制度為165℃×8h時，延伸率為18%，彎曲性能合格，且可滿足型材的性能要求。

圖5 經(jīng)165℃×8h時效，在線冷卻速率對力學(xué)性能的影響

表5 經(jīng)165℃×8h時效，在線冷卻速率對彎曲性能的影響

彎曲試驗結(jié)果表明，試樣彎到180°后試樣自邊緣2mm以外的彎曲外表面沒有產(chǎn)生任何裂紋。

Al-Mg-Si合金中的主要強化相為時效過程中彌散析出的β'-Mg2Si相，其次是過剩Si相。β'相和過剩Si相的尺寸越小，數(shù)量越多，合金強度就越高。6N01合金中β'相的形核驅(qū)動力主要取決于2個方面，即固溶體的過飽和程度和過剩Si的含量。過剩Si的含量可作為β'相非均勻形核核心而誘發(fā)其形核。鋁型材經(jīng)擠壓成型后，在冷卻前的空冷過程及風(fēng)冷過程中β'-Mg2Si相仍會發(fā)生前期非均勻析出和長大，使析出相較粗大且分布不均。增加型材的在線冷卻速率，使型材溫度在相當(dāng)短的時間內(nèi)降到200℃以內(nèi)，確保了淬火過程中β'的前期非均勻析出，確保了時效時Mg、Si元素的過飽和β'固溶度和的形核驅(qū)動力，促使其在時效時均勻析出和細化，從而提高型材的彎曲性能[5]。

3 結(jié)論

（1） 時效溫度對6005A、6N01合金型材彎曲性能的影響大于時效時間。

（2） 通過調(diào)控6005A合金的時效溫度，保證延伸率大于14.5%，可改善其彎曲性能。

（3） 6N01合金型材隨在線冷卻速率的提高，型材的延伸率增加。控制型材出口溫度在500～530℃之間，在線冷卻強度達到300℃/min，時效制度為165℃×8h時，可滿足型材的性能要求。

[1] 肖亞慶，劉靜安. 鋁加工技術(shù)實用手冊[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012

[2] 于立，劉志文. 擠壓-彎曲一體化成型鋁合金彎曲型材的質(zhì)量與性能[J].輕合金加工技術(shù)，2012,36(7)：72-76

[3] 楊文超. Al-Mg-Si-Cu系6005A合金的時效硬化行為及析出相的微觀結(jié)構(gòu)表征[D]. 湖南：中南大學(xué)，2011

[4] 宋濤. 6N01和7N01時效工藝研究和組織分析[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2011

[5] 沈健，李彥利. 在線淬火工藝對6005A合金擠壓行刺昂組織和性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，2003，13(6)：1462-1466

Research on Bending Performance of 6 ××× Series Aluminum Alloy Profile

YU Jin-feng, WU Jing-zhe
(Conglin Group Company, Longkou 265705, China)

The effects of aging process and on-line cooling intensity on bending performance of 6005A, 6N01 aluminum alloy profiles has been studied. The results show that the bending performance of 6005A alloy can be improved by adjusting the aging temperature. With the increase of online cooling rate, the elongation of 6N01 aluminum alloys profiles increases. When the outlet temperature is controlled between 500℃ and 530 ℃, online cooling intensity can reach 300 ℃ / min. Aging system is 165 ℃X 8h, it can meet the performance requirements of the profile.

6 ××× series aluminum alloy；bending performance；online cooling intensity ；aging process

TG379，TG146.21

A

1001-4898（2017）01-0053-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.11

于金鳳（1990-），女，山東臨沂人，碩士研究生。

2016-08-17