地铁车辆用6005A大型铝合金型材的研制与开发

1、总第 期科苑论坛铝加工"!地铁车辆用 大型铝合金型材的研制与开发邓小三 刘静安西南铝业 集团 有限责任公司特种型材厂 重庆九龙坡摘要 着重研讨了 铝合金大型材的技术要求与工艺特点 通过试验研究了它的化学成分 熔铸 挤压与热处理工艺及其优化等关键技术 为车辆用大型铝合金型材的批量生产奠定技术基础关键词 地铁车辆 大型铝合金型材 合金 研制开发中图分类号 文献标识码 文章编号前言铝合金大型特种型材是高速列车 地铁列车 轻轨列车 双层列车 豪华大巴等现代交通运输工具的关键材料 主要用作大型车辆的整体外形结构件和重要受力部件以及大型装饰部件收稿日期作者简介 邓小三 湖南永州人 中南工业大学毕

2、业 金属材料与压力加工专业 工程师基金项目 国家重点科技开发项目 国家计委计高技 号 大型特种铝合金型材属高新技术产品 断面尺寸大 形状复杂 一般为多孔异形空心型材 壁厚相差悬殊 宽厚比大 长度一般在 以上 最大的可达 而且要求左右或上下配合 尺寸和形位公差都要求非常高 组织和性能也要求均匀合理 因此 生产难度大 不仅需要配备有大型的先进的现代化挤压机及其配套设备 而且必须解决诸如高比压优质圆 扁挤压筒及其配套的大型挤压工具 大型特种模具的设计与制造 在线精密水 雾 气 淬火系统 新型精密矫直设备和长件人工时效设备与工艺等关键技术难点才能大批量生产 目前世界上只有德国 日本 瑞士等少数国家能大

3、批量生铝加工产此类型材 我国尚处于起步阶段科苑论坛总第 期为了加速我国交通运输工具向现代化 高速化和轻量化方向发展 国家把车辆用大型铝合金型材的国产化与产业列为重点科技攻关项目 经过几年的试验和试制工作 于 年成功地研制出了我国第一批合格的高速列车车辆用大型铝合金型材大型空心型材的材质大多为 铝合金 该合金挤压成形性和焊接性能良好 属于 系低元素铝合金 室温力学性能中等 而且 淬火敏感性非常高 在线淬火工艺很难控制 有时 在挤压制品上极易形成粗大晶粒 也会影响其力学性能 疲劳性能和抗腐蚀性能此类型材的力学性能指标要求满足 的标准 见表 如在立式淬火炉中经固溶处理后水淬 型材变形很大 尺寸和形位

4、公差无法保证 表面质量也很差 而且 型材交货长度大多在 制品挤出长度大多在 以上 需要长 以上的特大型立式淬火炉 目前在我国建造这种淬火炉设备是不现实的 在国外生产车辆用大型材一般是采用挤压后在线淬火方式进行热处理 但是在线淬火对设备要求很高 需要配置精密的水 雾 气在线淬火装置 对挤压和热处理工艺也很严格 否则很难满足性能要求大型特种铝合金型材的技术要求与难点地铁 轻轨和高速列车车箱材料中大部分是大型复杂薄壁空心型材 材质多为 铝合金 典型的型材有地板型材 顶板型材 侧板型材 转角顶梁型材 边梁型材 图 为国产化车辆的几种典型大型 铝合金空心型材的断面图 这些型材的技术要求比较高 生产难度比

5、较大车辆箱体材料大多是宽幅 薄壁空心型材 断面形状复杂 外接圆较大且断面积也较大 交货长度达 这些车箱型材在组装时都是插接拼装后再用自动焊机进行焊接的 一方面要求型材成型好 另一方面要保证型材的尺寸公差和形位公差精度高 否则影响车辆的组装质量 具体来说 要求型材的平面间隙不超过宽的 扭拧度不大于 全长不大于 上下弯曲度不大于 全长不大于 侧向弯曲度不大于 全长不大于 这些要求都大大高于有关国际标准中的超高精级型材的规定值 因此 要求挤压型材的模具设计与制造技术水平高 挤压生产工艺先进 矫直精整技术高超 生产设备先进和生产管理科学合理 否则难以大批量生产表表 车辆用型材室温性能控制指标壁厚工艺试

6、验研究化学成分优化试验室试验根据分析各合金元素的作用 参照标准 初步设计了 合金的化学成分 另外还仿照进口型材的成分设计了一种供对比的 合金成分 见表第一 第二次挤压工艺试验用 合金化学成分质量分数备注余量技术标准要求成分余量设计合金成分余量第一 二次挤压料实际成分仿进口型材合金成分 余量将合金熔炼铸造成所需规格的铸锭 经均热 车皮或铣面加工成挤压试验用锭坯 在 挤压机上进行挤压试验 经热处理后检测其组织 性能和尺寸 进行对比分析扩大试验根据前两次挤压工艺试验结果的分析 为进一步考察合金元素对 合金型材组织和性能的影响 第三次试验时设计并研制了 种成分的铸锭 以期通过对比试验选出最佳的成分范围

7、 见表总第 期科苑论坛铝加工表成分号第三次挤压工艺试验用 合金化学成分余量余量余量余量质量分数过剩挤压和热处理工艺研究合金空心型材挤压和热处理工艺试验是在 油压机上进行的 试验型材为 时间不超过试验结果及分析用正交法试验生产的型材进行力学性能检测 矩形空心型材挤压试验工艺参数范围的选择影响型材性能的挤压工艺参数主要包括铸锭加热温度 挤压速度和淬火方式 根据以往的 合金热处理特性研究和挤压成形性研究结果 型材挤压出口温度宜控制在 铸锭加热温度宜控制在 考虑到部分型材挤压后可能采用风冷淬火 挤压试验时可适当提高挤压温度以保证淬火效果 因此 铸锭加热温度初步定为 铸锭采用感应加热 根据国外同类型材的

8、挤压生产经验 挤压型材流出速度范围选择为在线淬火方式分为风冷淬火和水雾淬火 风冷条件下型材不易变形 但淬火冷却效果比水雾淬火的要差 水雾火虽然可以保证足够的冷却效果 但型材因变形不均 残余应力过大而产生扭曲 翘曲变形 增加矫直难度和焊接难度试验方案的选择 合金空心型材挤压工艺试验采用三因素三水平正交试验方案 因素水平设计为 铸锭加热温度 挤压速度 淬火方式 风冷 水雾 风冷 另外为了考察工艺参数的影响还补充了一些试验条件挤压和热处理试验采用感应炉加热铸锭 在 挤压机挤压筒上进行试验 通过控制挤压机柱塞速度来控制型材流出速度 风冷淬火条件下 由挤压机前梁出口处的临时风机和机后风机组进行风冷 水雾

9、淬火时关闭前梁出口的临时风机 直接放下水雾淬火装置进行淬火挤出的型材经冷床冷却后进行拉伸矫直 拉伸率为 在 人工时效炉内进行人工时效 人工时效制度为时效前型材的停放结果列于表 从表中可以看出合金成分 挤压和热处理工艺参数对 合金型材性能的影响 合金元素含量的微小变化对型材的强度影响不大 但适当增加 的含量可抑制型材在挤压时和挤压后发生再结晶 改善型材的焊接性能 抗疲劳性能和韧性 型材的强度随挤压温度的升高略有提高 随挤压速度的提高而增加 在线淬火方式对型材性能的影响最大 风冷淬火的型材力学性能都不合格 而水雾淬火的型材力学性能全部合格 表 铝合金 时效制度为型材正交试验力学性能测试结果试验号挤

10、压温度挤压速度淬火方式风冷水雾 水雾 风冷 水雾 水雾 风冷 风冷 风冷 水雾 风冷 水雾 风冷 风冷注 表中 的为补充试验结果 为仿进口型材成分试验结果 其余为表 中实际成分试验结果观察 合金型材的金相组织发现 几乎所有的型材均不同程度地存在部分甚至全部再结晶组织 部分型材出现表面粗晶层 随着挤压温度的升高和挤压速度的增加 型材的表面和内部出现粗晶组织 型材表面质量也下降 通过组织观察发现 合金空心型材在挤压时均不同程度地出现较为明显的焊缝痕迹 高温挤压时未发现此种焊合不良 试验结果表明 随着挤压温度的铝加工科苑论坛总第 期升高 强化相固溶效果增强 同时随着挤压速度的提高 型材挤压后冷却过程

11、中 相的预析出量 减少 有利人工时效时 相的析出 相也变得均匀细小 有利于改善型材性能材的合理挤压和热处理工艺参数选择范围为 挤压温度 挤压速度 壁厚以上型材宜采用水雾淬火方式 以下型材可考虑采用强风冷淬火 冷却速度应达到 以上 而且要求淬火装置尽量靠近前梁口表 合金型材第三次挤压和热处理工艺试验后性能检测结果铸锭挤压温度挤压速度淬火 型材壁厚方式熔炼号 第三次挤压和热处理工艺试验共试验了 种成分的铸锭 具体化学成分见表 挤压试验在 挤压机上进行 试验型材主要为 矩形空心型材 另外还选择一种 矩形空心型材作对比试验根据大型型材实际挤压生产需要 挤压温度选择 挤压速度选择淬火方式采用风冷淬火 在

12、前梁口加三台临时风机 另外选择 成分铸锭挤压进行在线水雾淬火试验 以验证第一 二次挤压和热处理试验工艺优化结果挤压后在型材上取样检测力学性能 结果见表第三次工艺试验结果分析由表 可看出 型材淬火冷却强度是影响 合金性能的重要因素 所有进行风冷淬火试验的型材力学性能都不合格 而水雾淬火的型材都合格 随着挤压温度和挤压速度的提高 型材的性能都有所改善 但提高不很明显 所以实际生产中可适当提高挤压温度和速度以改善性能 但过高的挤压温度和速度也是不可取的 所有风冷淬火的型材均不合格的原因 可能是选用的风冷淬火设备达不到 合金冷却强度要求所致通过比较发现 在 种成分合金中 成分铸锭的挤压型材性能最好 在

13、挤压温度 挤压速度用风冷淬火的条件下 型材性能接近标准要求 但其它几种成分铸锭均不合格 在 和过剩 含量基本相同的情况下 增加 等合金元素可阻碍挤压时和挤压后发生再结晶或再结晶晶粒长大 细化晶粒 但 总量过高可能形成含 的粗大第二相 削弱 相的沉淀强化效果 抵消其阻碍再结晶和细化晶粒的作用 同时 元素会增大 合金淬火敏感性 由此可以看出 在 合金中 含量不要过高 宜控制在 的含量宜控制在 以下 总量控制在 范围内 的含量宜控制在 左右 过剩 含量控制在 左右 合金空心型风冷 风冷风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷 风冷风冷水雾 风冷 风冷 风冷 风冷风冷生产

14、试制根据 合金空心型材挤压和热处理工艺试验研究结果 选择合理的化学成分范围 用半连续铸造法熔铸了生产试制的大规格铸锭 铸锭经均匀化处理后加工成生产所需要的 的扁铸锭和 及 规格圆锭坯 供生产试制大型 铝合金空心型材用经上述多次挤压和热处理工艺试验 摸索出了挤压生产 铝合金空心型材的工艺参数范围 但是考虑到试制生产所使用的挤压和热处理等设备不同 产品规格型号较多 形状复杂 产品技术要求更高 所以 大型型材的试制工艺控制更为总第 期科苑论坛铝加工困难 因此 在生产试制大型型材时适当调整了挤压参数 挤压温度适当提高 挤压速度适中 挤压试生产试制生产是在改造后的 油压机上进行的 试制的产品如图 所示

15、它们分别在 圆挤压筒上进行挤 扁挤压筒和 压试验 挤压筒加热温度为 模具加热温度为 挤压温度为 挤压速度为 型材挤出后分别进行风冷淬火和水雾淬火试验 风冷淬火时风机尽量靠近前梁口 试制结果经过一系列研究 摸索出了一套合理的生产工艺 试制出了合格的产品 并已投入批量生产 试制结果归纳如下外形尺寸 形位公差首批试制的 合金空心型材的断面外形尺寸和形位公差均已经达到用户提出的图纸和产品技术要求的规定 完全可以满足用户的使用要求 水雾淬火时应控制冷却速度和冷却均匀性 尽量避免型材产生大的变形 制品冷却后进行拉伸矫直 拉伸率在 由于车辆型材外形较大 拉伸矫直时要尽量控制它的尺寸和形位公差 应配置专用拉伸

16、垫块 制品切头尾取样后装进料筐运到 人工时效炉进行时效处理 时效制度为 时效前型材的停放时间不超过在实际生产过程中发现 合金大型型材进行在线风冷淬火后强化效果不理想 对于一些形状较简单 壁厚 左右的空心型材力学性能可能接近标准值 但有时为了避免型材产生大的变形 减少冷却水量以降低冷却强度 使型材力学性能不够均匀和稳定 当然这种不稳定性的出现主要是设备上的原因 应加强改进在线水雾淬火装置 使之便于对水压 水量和喷嘴的数量和角度等进行控制为了进一步提高型材的性能 我们通过分析认为铸锭的均热工艺对型材的最终性能有较大影响 为此我们做了一些补充试验 就是铸锭在均热后用风机强行使其快速冷却 避免相发生不

17、均匀析出和长大 实践证明这种措施对型材力学性能有较大改善精整及质量检测型材人工时效处理后按标准取样检查其内部组织和力学性能 组织 性能合格后 逐根上平台按专用产品标准检查它们的外形尺寸和形位公差 表面质量等由于车辆用铝合金型材外形规格较大 尺寸公差和形位公差要求高 检查需要在专门的大型检查平台上进行 为了方便检查和提高效率 制作了专用样板检查特殊尺寸和圆弧等组织性能由于严格控制化学成分及铸锭的熔铸 均热和挤压 在线淬火 拉矫 时效 精整等各工序的工艺参数 所试制的 合金空心型材 经理化检测 其力学性能以及高 低倍组织完全符合有关技术标准的要求 说明所制定的工艺和工模具的设计与制造技术是可行的结

18、论铝合金是一种综合性能较好 强度适中 塑性好 可挤压性很好的中强可焊合金 适合于生产大型复杂的空心车辆厢体型材大型车辆用铝合金型材挤压时应设计和制造优质的挤压工具和模具 制定合理可行的工艺 尽量减少挤压时金属流动的不均匀性 以利于型材挤压成形和减少变形 获得良好的组织和性能大型 铝合金空心型材的主要生产工艺参数如下 优化合金成分 控制 和 的含量 铸锭均热后进行快冷处理 挤压温度 挤压筒温度 模具加热温度 挤压速度 制品出前梁后立即进行在线淬火 对于壁厚 以下的型材可考虑用强风冷淬火 壁厚在 以上的型材必须用水雾淬火处理 制品经拉伸矫直 拉伸率 制品经人工时效处理 时效制度为 时效前型材的停放时间不超过 型材应采用专用拉伸垫块 特殊辊子进行拉伸矫直和辊矫精整 以满足产品尺寸公差 形位公差和表面质量的要求对于车辆用超长大型型材应用特殊的运输和包装方法 防止型材变形 擦伤 碰伤表面期铝加工科苑论坛总第 期电容一只 压敏电阻一只改造方法将原控温仪表换为智能温控仪表 两块表的开孔尺寸相同 热电偶补偿导线连接到温控仪表的输入端 拆除原控制箱的交流接触器 装上双向可控硅