超大規格鋁合金擠壓型材生產技術及應用

吳海旭，李洪林，楊 麗，劉 學，王國冰

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

提要：介紹了超大規格鋁合金擠壓型材生產技術，包括大型模具設計制造、大規格鋁合金錠坯制備和超大規格鋁合金型材擠壓，并簡要分析了其應用前景。

0 前言

鋁合金擠壓型材已成為軌道交通和公路貨運等交通運輸車輛輕量化發展的最重要基礎材料。采用超大規格高性能復雜截面鋁合金擠壓型材焊接而成的車體，不僅可以減少焊縫數量、提高尺寸精度和強度，還可大大提升車輛整體安全性能和使用壽命，是未來發展趨勢[1]。

1 基礎條件

要想生產合格的超大規格鋁合金擠壓型材，簡單來說要具備以下三個基礎技術條件：

（1）大型鋁合金模具設計制造技術。

（2）大規格優質鋁合金錠坯制備技術。

（3）超大型擠壓機及擠壓成套技術。

2 生產技術

2.1 大型鋁合金模具設計制造技術

采用焊合區網格重構、質點逆向追蹤等方法，通過多場耦合有限元模擬，建立溫度場、速度場、應變場等與擠壓參數、模具結構的映射關系，開發出大型鋁合金擠壓模具設計制造技術[2]。

模具制造工藝流程為：原材料→下料→粗車→劃線→粗加工→熱處理→精加工→配模→總檢。主要流程簡述如下：

（1）原材料：采用H13合金工具鋼為擠壓模具原材料。

（2）下料：采用鋸床下料，保證端面與棒料軸線相互垂直，預留3～4mm車削余量。

（3）粗車：使用數控車床進行粗車，注意內外徑留量、平面留量等工藝參數設置。

（4）劃線：平臺劃線。

（5）粗加工：包括鉆孔和銑削等。銑削加工采用加工中心進行，是模具加工非常重要的工序，其主要用于加工模具的工作帶、分流孔、焊合室、模芯、前室等。

（6）熱處理：將模具鋼加熱至臨界點Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻淬火，再將淬火鋼在500～650℃溫度下加熱，并以空冷方式冷卻到室溫。

（7）精加工：主要包括精磨、精車、精銑、線切割和電火花、拋光、研磨等。

（8）配模：使上下模組合到一起，用相應的螺栓進行定位。

（9）總檢：按設計圖紙要求檢查合模，包括壁厚、封閉高度、表面光潔度、平行度、外圓尺寸、橋對稱度、橋清根、順料、打硬度等。

2.2 大規格優質鋁合金錠坯制備技術

通過結晶器設計、電磁鑄造系統適用性改造、鑄造過程的精確數值模擬，同時采用電磁攪拌技術、熱頂油滑鑄造技術及區域過冷技術相結合，開發出大規格優質鋁合金錠坯制備技術。

鑄造工藝流程為：配料、裝爐→熔煉→攪拌、扒渣、快速取樣化驗→調整成分→轉爐→精煉、調溫、靜置→（鋁-鈦-硼絲）→晶粒細化、在線除氣、過濾→鑄造→均質→鋸切→檢驗。主要流程簡述如下：

（1）配料裝爐：精確計算各種材料（包括鋁錠、鎂錠、硅錠及各種中間合金等）用量和配料。

（2）熔煉：使用固定式天然氣熔鋁爐進行熔煉。熔煉過程開啟電磁攪拌器，將鋁液攪拌均勻，使熔體的化學成分及溫度均勻化，同時可減少氧化渣的形成，縮短熔煉時間。

（3）扒渣：將浮渣扒到爐門口，輕輕搓動，盡量使鋁與渣分離，控凈鋁液。

（4）靜置取樣化驗：靜置40～50min后，取樣品進行化學成分分析，合格后方可轉入保溫爐。

（5）鋁熔體在線處理：保溫爐配置爐內精煉裝置，對鋁液進行初步精煉。精煉過程中加入鋁-鈦-硼絲以細化晶粒，將高純氬氣注入鋁液中，排出鋁水中多余的溶解在鋁液中的氫氣，減少固化過程中氣泡的形成。

（6）鑄造：利用半連續鑄造機鑄造鋁棒，鋁水通過導水盤進入各個結晶器，升降平臺根據鋁液的流速及冷卻水的流速來控制下降速度，隨著升降平臺的下降，逐漸形成鋁棒。

（7）圓鑄錠檢驗：包括表面質量、低倍檢驗、超聲波探傷等。

（8）均質：根據不同合金設定溫度、時間進行均質處理，以減少鋁棒中的晶內偏析及鑄錠在凝固時產生的內應力，使后續擠壓更易于進行。

（9）鋸切：控制鋸切長度偏差和切斜度等。

我公司現已成功開發出了6005A和7N01φ784mm大規格優質鋁合金錠坯，經檢測其鑄錠表面光潔，化學成分和組織均勻，低倍晶粒度1級。

2.3 超大規格鋁合金型材擠壓技術

通過鑄棒的精密梯度升溫、模具的精密控溫、精密水霧氣在線淬火技術的有機結合，開發超大規格鋁合金型材等溫等速擠壓技術。

擠壓一般工藝流程為：鑄錠加熱→擠壓→在線淬火→張力矯直→時效→鋸切→理化檢驗。主要流程簡述如下：

（1）鑄錠加熱：采用鑄錠梯度加熱技術對鋁合金鑄棒進行加熱。

（2）擠壓：采用225MN超大型鋁擠壓機裝大型鋁合金擠壓模具后，再將φ784mm大規格鑄錠裝入擠壓筒內，通過擠壓機主柱塞的力，將鑄錠擠壓變形成超大規格鋁合金型材。

（3）在線淬火：采用水、霧、氣相結合的方式進行在線淬火，提高型材張力強度性能。

（4）中斷：超大規格鋁型材可擠出10～80m長，按規定定尺要求進行切斷。

（5）拉伸矯直：用大噸位拉伸機進行拉伸矯直。

（6）人工時效：進行人工時效以進一步提高鋁材性能。

（7）理化檢驗：對鋁型材進行化學成分、力學、彎曲、疲勞、低倍、高倍等理化性能檢驗。

3 應用前景

3.1 大規格鋁合金擠壓型材應用現狀

大規格鋁合金擠壓型材主要用于制造軌道交通車輛車體結構。目前，我國用于制造軌道交通車體的鋁合金主要是5×××系、6×××系和7×××系三個系列，主要用來生產側墻、頂棚、地板、底架、引梁、橫梁、枕梁、裙板、端墻、吸能件、設備艙、車體內飾等部件[1]。據了解，目前時速大于200 km/h的動車組、磁懸浮及中低速磁懸浮車體和大約30%左右的輕軌及地鐵車輛均采用鋁合金車體，而且大部分是大型鋁合金擠壓型材。

圖1為我國某型號全鋁軌道車輛車體鋁合金擠壓型材組合示意圖。

圖1 某型號軌道車輛車體型材組合示意圖

3.2 超大規格鋁合金擠壓型材應用前景

現代交通運輸用大型鋁合金特種型材的品種越來越多，對性能和質量的要求特別是輕量化的要求也越來越高[2]。“十三五”期間我國提出的高速鐵路增速至400km/h以上的發展規劃，對軌道交通車體用鋁型材更是提出了更高的技術要求。而超大規格高性能復雜截面鋁合金型材及大部件結構的研制與應用，可以在保證整車強度的前提下減少車體焊縫數量，減輕車體重量，提升整車綜合性能10%左右，很好地滿足了輕量化和整車質量的技術要求，同時還可大大提升車輛整體的安全性能和使用壽命。

表1 超大規格鋁合金擠壓型材主要應用領域

以圖1為例，該型號軌道車輛車體有23條焊縫，而未來通過采用一次性擠壓成型的超大規格鋁型材生產后，可以直接越過通過兩個較小型材進行焊接的工序，使車體焊縫數量有望最少可減少至11條，進一步提升軌道車體的安全系數。因此，未來超大規格高性能復雜截面鋁合金擠壓型材在軌道交通車體上的大量應用將前景可期。表1列出了超大規格鋁合金擠壓型材的主要應用領域和應用部位。

4 結束語

（1）超大規格鋁合金擠壓型材的試制生產需要具備大型鋁合金模具設計制造技術、大規格鋁合金錠坯制備技術和超大型鋁擠壓機及其擠壓成套技術等基礎條件。

（2）在中國城鎮化高速發展和“一帶一路”戰略理念的推動下，未來我國軌道交通及公路貨運車輛等對超大規格鋁合金擠壓型材的需求將非常大。

（3）我公司已掌握大型鋁合金模具設計制造技術，并成功開發出了6005A和7N01φ784mm大規格優質鋁合金圓鑄錠，首臺225MN超大型鋁擠壓機也已經正式投產，將形成超大規格鋁型材產業化生產的能力。