軌道交通用6005A合金組織性能研究

郝先芃，鄒 超，田茂德

（龍口市叢林鋁材有限公司技術(shù)部，山東 龍口 265705）

伴隨中國高速列車的不斷發(fā)展，鋁合金材料在軌道交通中得到了廣泛的運用，其中6005A合金因具有良好的成形加工性能、抗蝕性、焊接性，中等強度,作為主要材料得到廣泛使用。但軌道交通用6005A合金因其特殊的使用要求,對其組織性能有著非常嚴格的要求，其中型材的晶粒度對型材的組織性能、疲勞強度、抗蝕性、焊接性、成型加工等方面有著重要影響。對晶粒的控制在鋁合金熱擠壓生產(chǎn)過程中是一個難點，不僅對鑄錠的制備有嚴格的要求，而且需要對擠壓生產(chǎn)過程進行嚴格控制，才能得到預期性能的產(chǎn)品。本次研究的目的就是從影響型材晶粒度的幾個方面入手，從熔鑄開始控制影響鑄錠的晶粒變化的相關(guān)因素，調(diào)整型材擠壓工藝控制再結(jié)晶溫度抑制型材晶粒的長大。本次研究在整個生產(chǎn)的過程中通過多種方式的聯(lián)合調(diào)整，最大程度的細化晶粒，進一步提升6005A合金的綜合性能,從而更好的適用于軌道交通領(lǐng)域。

1 鑄錠的制備

1.1 合金成分調(diào)整

6005A合金主要成份為Al-Mg-Si，其中Mn能阻止合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細化主要是通過MnAl6化合物彌散質(zhì)點對再結(jié)晶晶粒長大起到阻礙作用；Cr在Al中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性；但(Mn+Cr)總量過高可能形成含Cr的粗大第二相，削弱MgzSi相的沉淀強化效果，抵消其阻礙再結(jié)晶和細化晶粒的作用。同時，Mn、Cr元素會增大6005A合金淬火敏感性。由此可以看出，在6005A合金中Mn、Cr含量不要過高，因此需合理要控制Mn+Cr的總量,并且調(diào)整Mn、Cr合金元素的成分比例,才能阻礙擠壓時和擠壓后發(fā)生再結(jié)晶或再結(jié)晶晶粒長大，起到細化晶粒的目的。

此外，Ti與Al形成AlTi2相，成為結(jié)晶時的非自發(fā)晶核，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用；少量的Fe可以細化晶粒，其不利的影響，可以利用Si、Mn、Cr元素消除；雜質(zhì)元素對晶粒的細化也有一定的影響，因此需要嚴格控制雜質(zhì)元素的含量。本次研究對合金成分進行了嚴格的控制,具體合金成分見表1。

表1 6005A鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)

1.2 鑄錠均勻化退火工藝調(diào)整

鑄錠均勻化退火對晶粒的細化有重要影響，其中Mn、Cr元素可在鑄錠均勻化退火時產(chǎn)生彌散的質(zhì)點，阻止位錯及晶界的遷移，從而提高了再結(jié)晶溫度，有效的阻止了晶粒的長大，可細化晶粒，并保證組織在熱加工及熱處理后保持未再結(jié)晶或部分再結(jié)晶狀態(tài)，使強度提高的同時具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。本次研究所用的鑄棒采用半連續(xù)鑄造方法,使用表2中雙級均勻化處理制度以消除晶內(nèi)偏析,使成分更加均勻,提升合金擠壓性能。

表2 鑄錠均勻化退火工藝

1.3 鑄錠檢測結(jié)果

圖1 鑄錠組織

圖1 是制備的鑄錠分別在50倍和100倍顯微鏡下的組織結(jié)構(gòu)，由圖中我們可以看到本次研究制備的鑄錠組織結(jié)穩(wěn)定，分布均勻。說明此次研究調(diào)整的合金成分及均勻化退火工藝合理有效，獲得了較為理想的制品，為進一步的擠壓生產(chǎn)研究提供了良好的材料。

2 擠壓工藝調(diào)整

在擠壓過程中合理的擠壓工藝直接影響產(chǎn)品最終的組織性能。熱變形后制品晶粒度的大小，取決于變形程度和變形溫度。本次研究選取變形量為30%～35%的車體側(cè)墻型材進行試驗，為獲得高晶級、高性能的制品，需要通過調(diào)整擠壓工藝來控制變形溫度。降低擠壓時變形溫度可減少大角度亞晶晶界遷移的速度，阻礙再結(jié)晶的發(fā)生。同等擠壓溫度條件下, 擠壓速度過快，鑄錠的變形速度快，生產(chǎn)的熱量增加，為再結(jié)晶提供的能量增加，從而導致再結(jié)晶的發(fā)生。同等擠壓速度條件下,降低擠壓溫度、減少再結(jié)晶的能量，可抑制再結(jié)晶的發(fā)生。故通過合理的調(diào)整擠壓溫度、擠壓速度等擠壓工藝參數(shù)來控制擠壓過程中的變形溫度，既能得到高晶粒度的制品，也能保證制品優(yōu)異的擠壓性能。本次研究的具體擠壓工藝詳見表3。

3 試驗結(jié)果

在線熱處理后獲得的制品，采用峰值時效制度170℃～180℃保溫8小時進行時效處理。獲得的制品隨機取樣進行顯微組織和力學檢測。

圖2 型材組織

由圖2可以看出本次研究的制品在高倍顯微鏡下晶粒組織細小、均勻，無粗晶及粗晶層現(xiàn)象。同時對上圖的試樣進行力學檢測，檢測結(jié)果詳見表4。

表4 力學結(jié)果

綜合以上檢測結(jié)果，我們可以得到：通過合理的調(diào)整擠壓工藝參數(shù)來控制型材的變形溫度，可以有效抑制再結(jié)晶現(xiàn)象，從而獲得高晶級、高性能的制品。

4 結(jié)語

本次研究為了獲得高晶粒度、高性能的6005A型材。通過調(diào)整6005A合金成分，嚴格控制合金中Mn、Cr、Ti、Fe、Si元素的含量，針對調(diào)整后Mn、Cr元素對熱處理過程中的不利影響，調(diào)整鑄錠均勻化退火工藝；為抑制擠壓過程中再結(jié)晶現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要控制擠壓過程中變形溫度，合理調(diào)整擠壓溫度、擠壓低速等擠壓工藝，最終得到了組織結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的制品。