動車組車體底邊梁用6005A鋁型材檢驗(yàn)分析

王宇 韓世濤 王周冰 曹振華 羅昊東 張富亮 李鵬偉

摘要：6005A鋁合金大截面復(fù)雜制品作為軌道車體的邊梁或枕梁，對軌道車體的整體起連接和承重作用，是動車組車體的關(guān)鍵部位。采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)、鋁型材壓力試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)顯微鏡等研究了速度達(dá)400km·h^-1動車組車體底邊梁用6005A鋁型材的強(qiáng)度、顯微組織和斷口形貌等，旨在為動車組用鋁擠壓型材產(chǎn)品檢驗(yàn)和工藝制度制定提供技術(shù)支持與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：6005A鋁合金;顯微組織;強(qiáng)度;斷口形貌

中圖分類號：TG146.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著現(xiàn)代交通工具的快速發(fā)展，對材料性能的要求越來越高。鋁合金因其質(zhì)輕、耐腐蝕性好、拉伸性能好等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)其型材的大型寬體化。目前，鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國研究的熱點(diǎn)。6005A鋁合金具有中等強(qiáng)度、可焊性和耐腐蝕性優(yōu)良，及優(yōu)良的擠壓性能使其作為車輛用大截面薄壁中空擠壓型材得到了廣泛的應(yīng)用。

400km·h^-1高速動車組是低耗能、輕量化的綠色環(huán)保動車組。6005A鋁合金大截面復(fù)雜制品作為軌道車體的邊梁或枕梁，對軌道車體的整體起連接和承重作用。動車組車體底邊梁是連接車輛地板和側(cè)墻的關(guān)鍵部件，要求強(qiáng)度高、尺寸結(jié)構(gòu)合理、不能變形、且性能穩(wěn)定，這些高要求將會提高生產(chǎn)難度。如何獲得最佳性能，制備工藝參數(shù)成為關(guān)鍵。型材在擠壓過程中其組織及性能受擠壓溫度、擠壓速度、摩擦，以及型材結(jié)構(gòu)和模具自身結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，對于超長、大斷面和大寬厚比的車體型材更是如此。本文通過研究分析6005A鋁合金型材的顯微組織、斷口形貌及力學(xué)性能，為產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的制定和鋁合金加工技術(shù)提供參考。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用規(guī)格為直徑582mm×長1870mm，33.84kg·m^-1的6005A鋁合金型材作為研究對象。6005A鋁合金型材的化學(xué)成分見表1，端面示意圖見圖1，熔合口端面示意圖見圖2。采用125MN擠壓機(jī)對6005A鋁合金型材進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，工藝參數(shù)見表2。6005A鋁合金型材的生產(chǎn)工藝流程為：鑄錠加熱-擠壓-淬火-拉伸矯直-成品鋸切-人工時(shí)效-驗(yàn)收-交貨。擠壓前，為降低6005A鋁合金鑄錠表面粗糙度，對鑄錠進(jìn)行車皮處理。鋁合金型材的性能取決于其內(nèi)部組織，而內(nèi)部組織又取決于其化學(xué)成分及加工工藝。試驗(yàn)選取6組同批次6005A鋁合金型材成品分別進(jìn)行力學(xué)性能測試、組織檢測和斷口形貌觀察。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1力學(xué)性能分析

選取6組同批次6005A鋁合金型材試樣，均為圖2中15a位置，編號依次為1#，2#，3#，4#，5#和6#。使用日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對上述6組試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，6組試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，并且伸長率遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，3#試樣的屈服強(qiáng)度最高可達(dá)291MPa，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)315MPa。

2.2宏觀組織分析

對6005A鋁合金型材端面進(jìn)行宏觀組織檢測。把銑削加工好的試樣放人20-35℃，體積分?jǐn)?shù)為15%-25%的NaOH溶液中，腐蝕20-30min。將試樣取出后立即用流動的清水沖洗，然后再放人體積分?jǐn)?shù)為20%-30%的HNO₃溶液中，浸泡15min，除去黑色堿蝕產(chǎn)物，用流動的清水沖洗干凈，并觀察型材斷面形貌，如圖3所示。

2.3斷口形貌分析

6005A鋁合金在擠壓成形過程中，如果模具和工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)，會使其在擠壓焊縫部位出現(xiàn)焊合不良的現(xiàn)象。為檢查焊合質(zhì)量，采用壓力試驗(yàn)機(jī)對腐蝕后的6005A鋁合金型材試樣進(jìn)行壓斷試驗(yàn)。檢驗(yàn)方法為對試樣焊縫進(jìn)行連續(xù)彎曲加載，直至達(dá)到試樣最大變形量或發(fā)生斷裂。如果試樣未沿著擠壓焊縫斷裂或在擠壓焊縫附近區(qū)域斷裂，即擠壓焊縫未斷裂，則可判定為焊合良好;如果試樣沿?cái)D壓焊縫斷裂，則根據(jù)擠壓焊縫斷口特征評定是否焊合良好。

分別選取同批次6005A鋁合金型材的斷口試樣6組，均為圖2中鋁合金型材熔合口端面示意圖15a位置，壓斷試驗(yàn)前先用記號筆將焊縫和熔合口實(shí)際位置標(biāo)出，再制備成壓斷試樣。6005A鋁合金型材斷口形貌如圖4所示。從圖4中可以看出：1#，2#和3#試樣的斷口呈纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂;4#，5#和6#拭樣的斷口呈平齊狀，斷裂方式為脆性斷裂，屬于焊合不良。接觸面被逐漸拉長，氧化皮破碎成細(xì)小顆粒，最終兩段金屬在高溫高壓下焊合在一起，破壞了組織的連續(xù)性。6005A鋁合金型材斷口檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

擠壓溫度越高金屬的塑性越好，越有利于充分焊合;但金屬的流動性提高、金屬和工作帶之間的摩擦力減小，所需的擠壓力變小，對應(yīng)焊合腔內(nèi)的壓力也隨之變小，不利于焊合，導(dǎo)致同批次型材出現(xiàn)兩種斷口形貌。

2.4顯微組織分析

在上述斷口形貌合格且力學(xué)性能最高的第3根6005A鋁合金型材成品料的頭部和尾部選取試樣進(jìn)行顯微組織觀察，編號為3T，3W。在明場條件下檢測其過燒組織，在偏光條件下進(jìn)行晶粒度評級。圖5為6005A鋁合金型材的顯微組織圖，圖6為6005A鋁合金型材晶粒度實(shí)測圖。從圖5中可以看出，6005A鋁合金型材試樣未發(fā)生過燒。根據(jù)圖6檢測的晶粒尺寸，依據(jù)NF A04-503晶粒度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，得出皮質(zhì)層晶粒度等級，結(jié)合GBT 3246.1-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算法和比較法，最終得出3T皮質(zhì)層晶粒度為2級，基體晶粒度為8級，3W皮質(zhì)層晶粒度為3級，基體晶粒度為8級。NF A04-503標(biāo)準(zhǔn)要求皮質(zhì)層晶粒度≥一5級，基體晶粒度≥3級。在變形的開始階段，6005A鋁合金型材的頭部塑性變形程度較小，基本保留了鑄造形態(tài)的組織，而后端由于變形量較大，晶粒細(xì)小。擠壓過程中的溫度、摩擦力、擠壓速度等對晶粒的均勻性都會產(chǎn)生一定的影響。從6005A鋁合金型材的橫截面來看，外層晶粒較中心的細(xì)小。通過以上分析得出，采用125MN擠壓機(jī)制備的6005A鋁合金大截面型材晶粒度等級符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3結(jié)論

（1）通過力學(xué)性能分析可知，6005A鋁合金型材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，伸長率遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值。其中屈服強(qiáng)度最高可達(dá)291 MPa，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)315MPa。

（2）6005A鋁合金型材均未發(fā)生過燒，采用1 25MN擠壓機(jī)制備的6005A鋁合金大截面型材晶粒度等級符合標(biāo)準(zhǔn)要求。基體晶粒度可達(dá)8級，高于標(biāo)準(zhǔn)值。