6013合金挤压工艺研究

2020-05-15滕广标高森田

铝加工 2020年1期

滕广标，高森田

（广东坚美铝型材厂（集团）有限公司，佛山，528222）

0 前言

6×××系铝合金可以生产出各种复杂截面的铝型材产品，广泛应用于航空航天、轨道交通、门窗幕墙等领域[1]。6013 合金作为2024 的理想替代材料，被应用于汽车的大梁、底盘、结构框架以及飞机的蒙皮、机翼、加强筋等结构材料中[2]。通常挤压出的产品均需经过在线或离线淬火处理，以使合金元素固溶于基体，形成过饱和固溶体，随后在时效过程中析出弥散，从而保证产品强度符合要求[3-4]。

然而在实际生产中常常会面临一个矛盾性的问题，即当追求强度最大化时，需要出料口温度尽可能提高，达530～560 ℃后再进行淬火处理。但是这样做的结果是型材易拖烂，挤压效率低，且尺寸精度难以保证。为了保证型材的精度以及表面质量，适当降温是必要的，但降温的结果是合金性能不稳定[5]。对于6013等硬质合金的挤压来说，由于合金化程度高，合金强度高，挤压相对变得困难，如何在保证产品质量的情况下，合理地控制挤压温度以及提高挤压效率成为企业面临的难题。

本研究根据现场工艺操作，通过调整挤压工艺参数，对比研究了不同条件下加热的铸棒对于生产制品的质量以及生产效率的影响，为挤压技术人员提供参考。

1 实验方法

采用两组参数对比的方法，所用铸棒棒径为229 mm，在2 500 t 挤压机上进行挤压。棒材均经过540 ℃/2h+570 ℃/12 h 双级均匀化处理，然后分别以两种不同的工艺方式进行挤压。其中工艺1：于多棒炉中将铸棒加热至510 ℃直接上机挤压，将挤压出料口温度控制在525±10 ℃；工艺2：采用多棒炉将铸棒加热至450～500℃，然后将铸棒转至工频炉加热至560 ℃固溶5～10 min，然后降温至500 ℃上机。控制挤压出料口温度在510±10 ℃，产品壁厚＞6 mm，采用穿水冷却，以增加冷却效率。淬火后的型材经175 ℃/10 h的时效处理。力学性能检测在GMT-6105GD 型万能实验拉伸机上进行，拉伸速率为5 mm/min。布氏硬度测试在HBS-62.5型小负荷布氏硬度仪上进行。两种对比挤压工艺的基数如表1所示。

表1 挤压工艺参数

2 实验结果

两种挤压工艺所得型材的力学性能及表面质量如表2所示。从结果来看，采用常规挤压工艺，即在多棒炉中进行510 ℃/3 h 以上的固溶处理，然后直接上机挤压这种工艺时，当出料口温度大于530 ℃时，型材内部拖烂严重。由于温度较高，在挤压过程中，合金元素进一步固溶于基体，更易获得过饱和固溶体，在后续时效过程中析出更多细小的弥散相，致使型材的强度更高，其中抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别达到407 MPa、368 MPa和11%。当出料口温度降低（＜520 ℃）时，型材表面质量良好，但强度有所下降，延伸率有所提高。

采用对铸棒先升温再降温的挤压工艺对型材的表面质量以及机械性能是有利的。在本试验中将铸棒先置于多棒炉中保温，然后于工频炉中加热至较高温度（560 ℃）固溶一定时间，然后降温至500 ℃进行挤压，出料口温度为510±10 ℃。采用该工艺获得的强度比常规工艺更高，且生产速度可以得到一定程度的提升，同时更容易获得良好的表面质量。采用该工艺获得的抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别达到408 MPa、376 MPa 和12%。此外，对比两种工艺发现，采用工艺2可以获得更高的综合力学性能。用这两种挤压工艺获得的产品力学性能对比如表2所示。

表2 力学性能对比

对比两种工艺的生产效率来看，采用参数2的工艺的挤压速度更高，比工艺1的生产效率提升了16.7%，且更易获得较高的表面质量。

3 分析讨论

在挤压生产中，通常铸棒加热有两种方式，一为采用多棒炉加热，二为单棒炉加热。采用多棒炉加热可以满足生产过程中高速挤压对产能的要求，铝棒加热的透心度更高，且对铝棒也有均匀化处理以及固溶处理的作用。而单棒炉可以分段加热，操作灵活。但铝棒加热时表面与心部温度有偏差，且要求铸棒必须经过均匀化处理后才可以使用，以利于挤压顺利进行。

本实验中两种工艺对铸棒采用相同的均质处理工艺，即540 ℃/2 h+570 ℃/12 h，使铸棒充分均匀化。对于热处理强化型合金来说，固溶程度即意味着合金时效后的强度，而固溶程度主要与加热的温度以及保温时间有关，挤压难度则与合金成分以及均匀化程度等有关。由于6013 合金强度较高，为保证挤压顺利进行，综合考虑，选用多棒炉进行加热。

工艺1 采用在多棒炉中加热至510 ℃、然后直接上机挤压的方式，通过调整工艺参数并未能取得理想的效果。对6013 等硬质合金进行挤压时，往往需要较高的挤压温度才能使合金元素充分固溶，从而保证产品强度。本产品采用常规工艺（510 ℃）时，由于铝棒温度较高，变形量大，致使挤压过程中的温升大。温度过高易导致挤压裂纹的产生，破坏金属的连续性，因此不宜采用过快的挤压速度。如果降低炉温，在保证产品质量的前提下虽可以提升挤压效率，但会导致固溶不充分，性能不能满足客户需求的风险。

工艺2采用的是：先于多棒炉中保温，再在工频炉中升温至较高温度（560 ℃），然后再降温至较低温度（500 ℃）挤压。因为固溶最主要的参数为加热温度和保温时间，且保温时间随着加热温度的升高而减少[6]。采用560 ℃作为固溶温度，在保证合金不过烧的前提下，大大提升了棒材的固溶效率。该工艺采用三级固溶的方式，即多棒炉固溶+工频炉固溶+挤压过程中的形变固溶，铝棒固溶更加充分，因此得到的产品性能也更稳定。且当棒材于较低温度挤压时，可以适当提升挤压速度，从而提高挤压效率，同时更易获得优良的型材表面。