大型鋁合金擠壓型材表面粗晶粒層分析

摘 要：本文針對軌道列車用6005A鋁合金大型材生產過程中常出現粗晶層的情況，對其進行實驗強度分析。通過實驗分析，得出不同厚度的粗晶層對產品使用的影響。最終得到適合企業生產的鋁合金材料的最佳條件。

關鍵詞：車輛用大型鋁合金型材；6005A合金；粗晶層

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.018

高速列車或地鐵的運行壽命一般為20～30年，車體至少要承受上千萬次的震動。這就要求車體材料要具有非常好的疲勞性能以滿足各項疲勞強度要求。軌道客車使用的大型鋁合金擠壓型材在國產化生產過程中，經常出現表面粗晶層問題。這直接影響著列車的使用壽命，如何解決這一問題對車輛型材的生產來說非常關鍵。本文通過對比歐洲車輛制造廠家對型材表面粗晶層的要求，針對表面粗晶層的出現對產品強度產生的不良影響，從擠壓工藝、模具設計等方面對影響表面粗晶層的因素進行研究，以求提高大型鋁型材的生產質量。

1 型材表面粗晶粒層形成機理

表面粗晶層產生的機理十分復雜，其產生原因與很多因素有關，到目前為止國內外還沒有統一的共識，主要有：銅、錳等金屬含量比例影響的觀點；合金臨界變形度觀點；再結晶生成觀點以及高溫擠壓摩擦變形的觀點。一般情況下人們認為，擠壓筒內的鋁合金鑄錠在擠壓軸壓力作用下向前移動，鑄錠外層金屬在高壓下與擠壓筒內壁產生摩擦，形成剪切變形，變形熱使該位置材料的溫度升高，進而使金屬的自由能提高，當將其熱量升到適當溫度時重新形成晶核并長大，形成再結晶。再結晶之后一般可得到細而均勻的等軸晶粒，但如果溫度利于晶粒長大或加熱保溫時間過長，再結晶晶粒會長大成為粗大晶粒。同時，剪切變形會使表層晶格畸變，晶粒破碎嚴重。一般情況下，大型鋁型材表面粗晶層經常出現在型材壁厚的外部，寬扁形狀的型材在寬度方向的兩端容易出現；空心型材在熔合縫附近容易出現；擠壓型材沿長度方向上分布規律是頭端淺尾部深，嚴重情況下在整個截面上都是表面粗晶層。

歐洲的高速列車、地鐵和軌道列車起步較早，其軌道車輛用鋁合金型材的技術標準中對于表面粗晶層這一項有非常具體的要求而我國的軌道車輛用型材在這方面，到目前為止還沒有專業權威的技術標準出臺。

2 表面粗晶層對產品使用的影響

表面粗晶層深度較深的產品，對材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率及疲勞性能都有較大的影響。本文對不同厚度的表面粗晶層進行試驗。試樣在三塊6005A鋁合金型材上截取、固溶處理加人工時效處理（T6狀態）；試樣壁厚為2.5mm；其中在每塊型材上取兩件拉伸試樣，試樣沿擠壓方向截取；取兩件疲勞試樣，試樣沿擠壓方向截取。取樣方法見表1。

在拉伸試驗中，選用的試驗設備為CSS44100電子萬能試驗機，試驗標準依據歐洲標準BS EN10002-1：金屬材料的拉伸試驗標準執行。表2是上述拉伸試樣做拉伸試驗的數據。

在疲勞試驗中，選用的試驗設備為MTS液壓伺服疲勞試驗機，試驗標準依據歐洲標準EN13981-1：金屬材料疲勞試驗標準執行。試驗規范：最大應力：σmax=110Mpa；應力比：R=0.1；試驗循環基數：1×107；試驗頻率：<200HZ。試驗參數見表3、試驗結果見表4。

3 結論

從上述試驗數據可以看出：

（1）雖然部分材料的表面粗晶層厚度超過要求，但其抗拉強度、屈服強度、延伸率都能夠達到標準要求的數值，只是在各項指標上要小許多。

（2）當表面粗晶層達到壁厚的3/4時，其在靜載荷下的性能合格，但其疲勞性能有合格，有不合格，試樣1中的試驗結果相差很大，原因可能是因為材料本身的其它內部缺陷影響的，如：偏析、疏松、夾雜等。

（3）當表面粗晶層充滿整個型材壁厚時，其抗拉強度、屈服強度、延伸率仍然能夠達到歐洲標準的要求-僅僅是略大于歐洲標準，但其疲勞性能非常不好，遠達不到標準要求。

（4）當表面粗晶層厚度為型材壁厚的1/10左右時，無論是靜態強度還是疲勞強度都非常好。可以滿足生產要求。

參考文獻：

[1]肖亞慶，謝水生，劉靜安等.鋁加工技術實用手冊[K].冶金工業出版社，2005.