挤压工艺与模具结构对6005A轨道型材粗晶的影响

2022-11-02金文福

铝加工 2022年5期

何金，董政，石娇，金文福，石玲，贲放

（辽宁忠旺集团有限公司忠旺研究院，辽阳 111003）

0 前言

6005A铝合金具有优良的挤压性、焊接性和耐腐蚀性，可以通过在线风冷或水雾冷后人工时效获得中等强度，并可挤压出断面形状复杂的宽扁薄壁空心型材。由于其优异的综合性能，已成为轨道交通车辆制造中的重要材料[1-3]。粗大晶粒及粗晶层是挤压制品的一种组织缺陷，粗大晶粒组织能够引起制品的力学性能降低、拉弯加工出现橘皮或断裂、表面质量粗糙、阳极氧化表面不美观、降低产品的疲劳性能等问题。粗晶问题是行业内最难解决的问题之一。随着轨道车辆制造商对列车安全和寿命要求的不断提高，对高速列车和地铁用6005A铝合金组织和性能尤其是型材粗晶层要求也越来越高，迫使轨道交通用铝型材供应商不断更新生产工艺[4-5]。随着轨道车辆高速化和轻量化的发展，大截面、薄壁、中空铝合金型材的研制成功，给粗晶控制带来了更大难度。型材表面及自由端位置的粗晶控制，尤其是型材自由端位置的粗晶控制是困扰轨道交通型材产品生产控制的难题。挤压型材粗晶层的控制主要集中在合金成分配比、铸造工艺、均匀化工艺、挤压工艺等几个方面。本文在优化合金成分配比、铸造工艺及均匀化工艺的基础上，结合6005A轨道交通用型材的实际生产情况，研究了挤压工艺和模具结构对型材粗晶层厚度的影响，为同行提供参考。

1 试验材料和方法

试验材料采用某公司半连续铸造生产的直径为360 mm的6005A铝合金铸锭，成分符合EN 573-3标准规定，详见表1。

表1 6005A铝合金铸锭化学成分（质量分数/%）

采用5 500 t挤压机进行挤压，挤压比为24，挤压方案见表2，挤压型材采用在线水雾冷却，180℃×8 h人工时效处理。挤压模具结构优化如图1所示，其中图1（b）是在图1（a）的基础上增加型材自由端前室的面积，使前室与自由端形成一定角度，增大了自由端位置的供铝量。在型材尾部4 m处取样，采用蔡司AXI0光学显微镜对型材粗晶层进行显微组织观察。型材横截面及粗晶层检测位置示意图见图2。

表2 6005A铝合金型材挤压工艺参数及模具结构

图1 挤压模具结构图

图2 型材横截面及高倍检测位置示意图

2 试验结果

分别采用方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ进行挤压生产，并分别取图2的1#表面位置和2#自由端位置进行金相晶粒度观察。金相检测结果见图3、图4。从图3和图4中可知，方案Ⅰ型材的1#表面位置表层出现一层粗大晶粒组织，粗大晶粒在挤压方向被压扁和拉长，基体为纤维状组织；方案Ⅱ、方案Ⅲ型材的表面位置未发生再结晶，表层和基体均为纤维状组织。方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挤出型材的2#自由端位置均出现粗大晶粒，粗晶厚度统计结果见表3。由表3可知，方案Ⅰ和方案Ⅱ的粗晶检验结果不合格，方案Ⅲ的检验结果合格。方案Ⅰ和方案Ⅱ相比，在挤压模具结构相同的情况下，随着挤压温度和速度的下降，方案Ⅱ粗晶厚度减小。方案Ⅱ和方案Ⅲ相比，在挤压参数相同的情况下，进行模具结构优化处理后，方案Ⅱ的粗晶环厚度明显降低，且全部合格。

图3 不同挤压方案下型材表面的高倍粗晶组织

图4 不同挤压方案下型材自由端的高倍粗晶组织

表3 不同挤压方案下型材自由端粗晶层厚度统计结果

3 分析与讨论

挤压型材晶粒度大小与合金成分、变形程度、挤压温度、速度、模具结构等因素有关。由于6005A合金成分中添加了Mn、Cr元素，这些元素在铝合金的溶解度较低，在均匀化过程中析出细小的弥散相，这些细小的弥散相能够阻止位错的滑移，阻碍再结晶晶粒的形核和长大，起到抑制晶粒长大、细化晶粒、提高再结晶温度的作用。由于模具形状约束、坯料和挤压筒壁之间的剧烈摩擦作用造成金属流动不均匀，外层金属流动滞后于内层金属，在摩擦力和附加应力作用下外层金属所受的变形程度比内层大，晶粒受到严重的剪切变形，晶粒和晶界化合物遭到严重破坏，晶粒内部和晶粒间积累较高的畸变能，从而使外层金属再结晶温度低，容易发生再结晶并长大。无润滑正向挤压时，锭坯表面与挤压筒的强烈摩擦使得外层金属的变形程度比中心区高几十倍，同时外层金属受到较大的剪切变形，晶粒遭到较大的破碎，使内能增高，再结晶温度降低，型材边部易形成粗晶组织[6-7]。因此6005A型材采用上述不同工艺生产的型材的基体均为纤维状组织，未发生再结晶，仅变形程度大，在粗大晶粒的边部和自由端位置易出现粗大晶粒。

挤压型材的变形程度与挤压比有关，此外，挤压温度、挤压速度以及模具结构设计也影响晶粒的大小。

3.1 挤压温度对6005A合金型材粗晶的影响

铝合金挤压过程中，金属在挤压筒内部承受压应力状态，随着变形量的增加，金属内部晶粒不断被压扁和拉长。低温挤压时，挤压筒和铸锭温度相差不大，铸锭表层和内部在挤压过程中的变形抗力无明显差距，当挤压型材通过模具工作带时变形不剧烈，型材表层金属畸变能不会迅速升高，从而不会加剧晶粒的形核和长大，降低粗晶层的形成。当挤压铸锭温度升高时，由于金属的变形抗力下降，从而导致金属变形不均匀性增加，制品边部变形量大于中间部位，边部产生严重的畸变能，加速晶界迁移，形成粗晶。同时，高温挤压时，金属通过模具工作带促进型材边部第二相的析出和聚集，降低第二相粒子对晶界的钉扎作用，易于形成粗晶组织。本试验中，方案Ⅰ和Ⅱ的化学成分相同，但是方案Ⅱ的挤压温度低于方案Ⅰ，因此粗晶的厚度下降。

3.2 挤压速度对6005A合金型材粗晶的影响

挤压过程中产生的塑性变形能绝大部分转变为热能。挤压速度低，金属与挤压筒和模具工作带之间产生摩擦力，金属变形不剧烈，产生的热能在挤压过程中有足够的时间逸散，金属表面温升小，能量聚集少，晶粒不会继续长大形成粗晶组织。挤压速度越快，材料的应变速率越高，金属与模孔工作带之间的摩擦力使外层金属的流动大于内层金属，外层金属的畸变能增加，外层金属内部亚晶粒周边的位错密度随之变高，于是材料的变形储能也就越高。变形储能是再结晶的驱动力，变形储能越高，越容易发生再结晶，再结晶的晶粒异常长大便形成粗晶组织[5]。同时，由于挤压速度快，挤压筒内金属塑性变形产生的热量逸散速度慢，热量迅速聚集，也易形成粗晶组织。

本试验中，方案Ⅰ和Ⅱ的化学成分相同，但是方案Ⅱ的挤压速度低于方案Ⅰ，因此其粗晶环的厚度明显下降。

3.3 模具结构对6005A合金型材粗晶的影响

金属的再结晶温度与金属的变形程度有关，金属的预变形程度越大，再结晶的温度就越低。这是由于预变形程度越大，金属晶粒的破碎程度便越大，产生的位错缺陷就越多，组织的不稳定性就越明显，因而会在较低的温度下开始再结晶。再结晶后的金属一般都得到小而均匀的等轴晶粒，如温度继续升高，再结晶后的晶粒又以相互吞并的方式长大，因此造成产品出现粗晶的现象[8]。

挤压方案Ⅱ、Ⅲ的对比分析表明，在挤压温度和速度等工艺参数相同的情况下，适当增加型材自由端位置模具前室的面积，并且使前室与自由端位置形成一定角度，增大自由端位置的供铝量，有利于促进铝的流动速度，减小铝合金在自由端位置的摩擦阻力和变形程度。

通过优化模具结构的方式，减小成形过程中的摩擦阻力和变形程度，进而细化晶粒度，使方案Ⅲ的粗晶层厚度得到明显改善。