一種新型模板合金的研究

秦龍傳，呂曉霞，周廣宇，王德營，張 鴻

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

近年來，隨著建筑行業的不斷發展，鋁合金模板以低耗、環保、經濟適用等多種特點在國內建筑行業得到廣泛應用，以鋁代木、以鋁代鋼是綠色建筑結構材料的未來和發展方向[1-3]。作為中等強度的Al-Mg-Si 合金，6005A 和6061 由于腐蝕性能和焊接性能良好而被廣泛用作建筑型材[4-6]。但是由于其淬火敏感性較強，在擠壓淬火的過程中，因其組織內部殘余應力過高，導致型材淬火后拉伸矯直困難，且容易產生角度超差、扭擰不合格等情況[7-9]。同時為了確保第二相能夠充分溶解到固溶體中，傳統6005A 和6061 鋁合金往往需要較高的固溶溫度。但多次生產經驗表明，較高的固溶溫度會使其在高速擠壓過程中極易產生扒皮現象，一定程度上限制了模板的生產速度、生產效率和成品率[10，11]。

本試驗在傳統6005A 和6061 鋁合金成分和生產工藝的基礎上，在保證力學性能合格的前提下，以型材的表面質量和尺寸為參考，重新調整合金成分和型材擠壓工藝參數（鑄錠加熱溫度、速度和淬火方式），研究一種可以提高模板型材速度、生產效率和成品率的新型鋁合金和型材擠壓工藝，為后續鋁模板的合金成分、擠壓工藝、型材表面質量等多方面的研究和改進提供相關的理論和生產依據。

1 試驗材料與方法

本試驗所使用的Al-Mg-Si 合金是在傳統的6005A和6061鋁模板合金成分的基礎上進行合金成分優化的。所設計的1 號、2 號和3 號Al-Mg-Si 合金成分見表1。

表1 實驗用三種鋁合金的化學成分（質量分數/%）

采用2 750 t擠壓機對上述三種合金成分鑄錠進行熱擠壓變形，擠壓后型材的截面圖如圖1 所示（以下稱G模板）。為了提高鋁合金模板的生產效率和成品率，實現節能減耗，擠壓工藝參數實行“低溫高速”的設計理念，三種合金的具體擠壓工藝參數見表2。

圖1 型材截面圖

表2 擠壓工藝參數

將上述擠壓淬火后的型材在其出料總長度0.5%～1.5%的范圍內，以適當速度進行拉伸矯直，以消除型材內部殘余應力，并觀察和測量拉伸后型材的表面質量、尺寸和角度。將拉伸后的型材進行人工峰值時效（時效制度：175 ℃×8 h），并測試時效后型材的巴氏硬度。對每種合金、每個制度取三次測試結果的平均值，同時將每個制度的型材取3 個力學試樣，以12 m/min 的拉伸速度進行室溫力學性能測試，取其平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

對采用不同合金成分及擠壓工藝制度生產的型材進行人工時效，檢測其巴氏硬度，結果見表3。由表3可以看出，1、2號合金擠壓型材的巴氏硬度略有不同，但均在合格范圍內且最低值14.5 HBW仍高于標準值0.5 HBW。而3 號合金擠壓型材在棒溫為420～430 ℃、速度為12.1～12.6 m/min時，其5#試樣的硬度最小值為14 HBW，相對于1、2號合金擠壓型材試樣（1#～4#）來說偏低一些，但仍可滿足使用標準。將3 號合金棒溫降低至410～420 ℃，并將速度提高到12.8～13.3 m/min時，時效后硬度下降至13～14 HBW，不滿足使用標準。人工時效后的試樣力學拉伸數據見表4。1號和2號合金擠壓型材時效后的抗拉強度、屈服強度和斷后延伸率均高出使用標準。

當3 號合金棒溫為420～430 ℃、速度為12.1～12.6 m/min時，對其進行風冷淬火，其人工時效后的抗拉強度和屈服強度雖然較低，但仍可滿足使用標準；進一步降低棒溫、速度提升至12.8～13.3 m/min后，其人工時效后的抗拉強度、屈服強度均低于使用標準。這是由于擠壓速度過快，淬火強度不足，時效后第二相作用較弱所致。故6#試樣性能值低于所需力學標準，其所對應的擠壓工藝也因導致型材性能低而不能被采用。

表3 型材時效后的硬度

表4 型材時效后的力學性能

2.2 表面和尺寸

對采用不同合金成分及擠壓工藝制度生產的型材進行表面質量和扭擰度的觀測和測量，結果見表5。由表5 可知，三種合金在實行“低溫高速”的生產過程中，1 號合金和2 號合金的鑄錠加熱溫度最低為450 ℃。由于1 號和2 號合金的鑄錠變形抗力較大，擠壓初期突破壓力較高，繼續降低溫度會導致“憋壓”，出現悶車現象；且1號和2號合金的合金化程度高，過低的固溶溫度將導致時效后力學性能降低，所以實際生產中1 號和2 號合金鑄錠溫度不能過低，且采用水霧淬火方式可以保證合金的淬火速率。當溫度為460～470 ℃，1、2號合金的擠壓速度分別為4.7～5.2 m/min和3.7～4.2 m/min時，型材表面質量良好。因扭擰度導致的不合格占比分別為10.7%和13.6%。兩種合金繼續提速至5.4～5.9 m/min和4.3～4.8 m/min后，型材表面質量變差，有表面顆粒出現且在局部區域有“拉毛”和“扒皮”現象，扭擰度不合格占比也提升至20%以上。

根據生產統計，采用1 號合金生產該模板時，“扒皮”型材占比為10.67%；采用2 號合金生產時，“扒皮”型材占比為15.33%。兩種合金表面“扒皮”情況見圖2（b）和（c）。而使用3 號合金生產時，可將鑄錠加熱溫度降低至420～430 ℃，無“憋壓”現象出現，且速度達到12.1～12.6 m/min時，型材表面質量仍保持良好，無顆粒和“扒皮”現象，型材表面形貌如圖2（a）所示。當棒溫降至410～420 ℃、速度提速至12.8～13.3 m/min 時，型材開始出現扭擰現象，不合格占比為3.3%，但表面質量仍保持良好。同時，局部出現顆粒，尾端有少量“扒皮”，但不合格占比僅為8%。雖然6#試樣表面和尺寸良好，但采用此擠壓工藝制度生產的型材在時效后其硬度、抗拉強度和屈服強度均不滿足標準，故不建議采用此種工藝。

生產過程中發現，1 號和2 號合金在進行水霧淬火時，因型材表面急冷，局部收縮不均勻，型材多為半開口的“G”型，且開口大小不易控制，角度偏差嚴重，平面間隙超差占比較大，需要進行后期整形處理，降低了型材的生產效率和成品率。而3號合金在進行風冷時，在滿足型材使用的力學性能標準的同時，型材表面收縮程度較小，變形均勻，角度偏差小，一定程度上提升了產品的生產效率和成品率。

表5 不同擠壓制度下型材的表面和尺寸

2.3 擠壓速度及產量

圖3為不同成分合金擠壓過程中擠壓速度的平均值曲線。1號合金型材擠壓速度的平均值為5.45 m/min，2 號合金型材為4.55 m/mim，而3 號合金型材可以達到12.35 m/min。三種合金單班12 h 滿負荷生產情況下，1 號合金型材單班產量為12.82 t，2 號合金型材較低，僅為11.15 t，而3 號合金型材產量可高達21.74 t。

圖2 型材表面“扒皮”形貌

圖3 不同合金成分型材平均擠壓速度與產量對比

3 結論

（1）使用3號合金擠壓生產模板時，可以采用風冷淬火方式進行在線生產，時效后力學性能滿足標準要求。

（2）采用3號合金生產模板型材時，產品表面質量光潔，質檢尺寸和角度精準合格，幾乎可以做到無質檢廢料。

（3）在保證模板型材力學性能滿足標準的前提下，采用3 號合金可以將鑄錠加熱溫度降低至420 ℃，擠壓速度提升至12.1～12.6 m/min，產量提升至21.74 t，是傳統模板合金產量的2～3倍。