一种新型模板合金的研究

2021-01-13秦龙传吕晓霞周广宇王德营

铝加工 2020年6期

秦龙传，吕晓霞，周广宇，王德营，张鸿

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

近年来，随着建筑行业的不断发展，铝合金模板以低耗、环保、经济适用等多种特点在国内建筑行业得到广泛应用，以铝代木、以铝代钢是绿色建筑结构材料的未来和发展方向[1-3]。作为中等强度的Al-Mg-Si 合金，6005A 和6061 由于腐蚀性能和焊接性能良好而被广泛用作建筑型材[4-6]。但是由于其淬火敏感性较强，在挤压淬火的过程中，因其组织内部残余应力过高，导致型材淬火后拉伸矫直困难，且容易产生角度超差、扭拧不合格等情况[7-9]。同时为了确保第二相能够充分溶解到固溶体中，传统6005A 和6061 铝合金往往需要较高的固溶温度。但多次生产经验表明，较高的固溶温度会使其在高速挤压过程中极易产生扒皮现象，一定程度上限制了模板的生产速度、生产效率和成品率[10，11]。

本试验在传统6005A 和6061 铝合金成分和生产工艺的基础上，在保证力学性能合格的前提下，以型材的表面质量和尺寸为参考，重新调整合金成分和型材挤压工艺参数（铸锭加热温度、速度和淬火方式），研究一种可以提高模板型材速度、生产效率和成品率的新型铝合金和型材挤压工艺，为后续铝模板的合金成分、挤压工艺、型材表面质量等多方面的研究和改进提供相关的理论和生产依据。

1 试验材料与方法

本试验所使用的Al-Mg-Si 合金是在传统的6005A和6061铝模板合金成分的基础上进行合金成分优化的。所设计的1 号、2 号和3 号Al-Mg-Si 合金成分见表1。

表1 实验用三种铝合金的化学成分（质量分数/%）

采用2 750 t挤压机对上述三种合金成分铸锭进行热挤压变形，挤压后型材的截面图如图1 所示（以下称G模板）。为了提高铝合金模板的生产效率和成品率，实现节能减耗，挤压工艺参数实行“低温高速”的设计理念，三种合金的具体挤压工艺参数见表2。

图1 型材截面图

表2 挤压工艺参数

将上述挤压淬火后的型材在其出料总长度0.5%～1.5%的范围内，以适当速度进行拉伸矫直，以消除型材内部残余应力，并观察和测量拉伸后型材的表面质量、尺寸和角度。将拉伸后的型材进行人工峰值时效（时效制度：175 ℃×8 h），并测试时效后型材的巴氏硬度。对每种合金、每个制度取三次测试结果的平均值，同时将每个制度的型材取3 个力学试样，以12 m/min 的拉伸速度进行室温力学性能测试，取其平均值。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

对采用不同合金成分及挤压工艺制度生产的型材进行人工时效，检测其巴氏硬度，结果见表3。由表3可以看出，1、2号合金挤压型材的巴氏硬度略有不同，但均在合格范围内且最低值14.5 HBW仍高于标准值0.5 HBW。而3 号合金挤压型材在棒温为420～430 ℃、速度为12.1～12.6 m/min时，其5#试样的硬度最小值为14 HBW，相对于1、2号合金挤压型材试样（1#～4#）来说偏低一些，但仍可满足使用标准。将3 号合金棒温降低至410～420 ℃，并将速度提高到12.8～13.3 m/min时，时效后硬度下降至13～14 HBW，不满足使用标准。人工时效后的试样力学拉伸数据见表4。1号和2号合金挤压型材时效后的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率均高出使用标准。

当3 号合金棒温为420～430 ℃、速度为12.1～12.6 m/min时，对其进行风冷淬火，其人工时效后的抗拉强度和屈服强度虽然较低，但仍可满足使用标准；进一步降低棒温、速度提升至12.8～13.3 m/min后，其人工时效后的抗拉强度、屈服强度均低于使用标准。这是由于挤压速度过快，淬火强度不足，时效后第二相作用较弱所致。故6#试样性能值低于所需力学标准，其所对应的挤压工艺也因导致型材性能低而不能被采用。

表3 型材时效后的硬度

表4 型材时效后的力学性能

2.2 表面和尺寸

对采用不同合金成分及挤压工艺制度生产的型材进行表面质量和扭拧度的观测和测量，结果见表5。由表5 可知，三种合金在实行“低温高速”的生产过程中，1 号合金和2 号合金的铸锭加热温度最低为450 ℃。由于1 号和2 号合金的铸锭变形抗力较大，挤压初期突破压力较高，继续降低温度会导致“憋压”，出现闷车现象；且1号和2号合金的合金化程度高，过低的固溶温度将导致时效后力学性能降低，所以实际生产中1 号和2 号合金铸锭温度不能过低，且采用水雾淬火方式可以保证合金的淬火速率。当温度为460～470 ℃，1、2号合金的挤压速度分别为4.7～5.2 m/min和3.7～4.2 m/min时，型材表面质量良好。因扭拧度导致的不合格占比分别为10.7%和13.6%。两种合金继续提速至5.4～5.9 m/min和4.3～4.8 m/min后，型材表面质量变差，有表面颗粒出现且在局部区域有“拉毛”和“扒皮”现象，扭拧度不合格占比也提升至20%以上。

根据生产统计，采用1 号合金生产该模板时，“扒皮”型材占比为10.67%；采用2 号合金生产时，“扒皮”型材占比为15.33%。两种合金表面“扒皮”情况见图2（b）和（c）。而使用3 号合金生产时，可将铸锭加热温度降低至420～430 ℃，无“憋压”现象出现，且速度达到12.1～12.6 m/min时，型材表面质量仍保持良好，无颗粒和“扒皮”现象，型材表面形貌如图2（a）所示。当棒温降至410～420 ℃、速度提速至12.8～13.3 m/min 时，型材开始出现扭拧现象，不合格占比为3.3%，但表面质量仍保持良好。同时，局部出现颗粒，尾端有少量“扒皮”，但不合格占比仅为8%。虽然6#试样表面和尺寸良好，但采用此挤压工艺制度生产的型材在时效后其硬度、抗拉强度和屈服强度均不满足标准，故不建议采用此种工艺。

生产过程中发现，1 号和2 号合金在进行水雾淬火时，因型材表面急冷，局部收缩不均匀，型材多为半开口的“G”型，且开口大小不易控制，角度偏差严重，平面间隙超差占比较大，需要进行后期整形处理，降低了型材的生产效率和成品率。而3号合金在进行风冷时，在满足型材使用的力学性能标准的同时，型材表面收缩程度较小，变形均匀，角度偏差小，一定程度上提升了产品的生产效率和成品率。

表5 不同挤压制度下型材的表面和尺寸

2.3 挤压速度及产量

图3为不同成分合金挤压过程中挤压速度的平均值曲线。1号合金型材挤压速度的平均值为5.45 m/min，2 号合金型材为4.55 m/mim，而3 号合金型材可以达到12.35 m/min。三种合金单班12 h 满负荷生产情况下，1 号合金型材单班产量为12.82 t，2 号合金型材较低，仅为11.15 t，而3 号合金型材产量可高达21.74 t。