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        6013合金擠壓工藝研究

        2020-05-15 01:28:32滕廣標(biāo)高森田
        鋁加工 2020年1期
        關(guān)鍵詞:表面質(zhì)量型材力學(xué)性能

        滕廣標(biāo),高森田

        (廣東堅(jiān)美鋁型材廠(集團(tuán))有限公司,佛山,528222)

        0 前言

        6×××系鋁合金可以生產(chǎn)出各種復(fù)雜截面的鋁型材產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、門窗幕墻等領(lǐng)域[1]。6013 合金作為2024 的理想替代材料,被應(yīng)用于汽車的大梁、底盤、結(jié)構(gòu)框架以及飛機(jī)的蒙皮、機(jī)翼、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)材料中[2]。通常擠壓出的產(chǎn)品均需經(jīng)過在線或離線淬火處理,以使合金元素固溶于基體,形成過飽和固溶體,隨后在時(shí)效過程中析出彌散,從而保證產(chǎn)品強(qiáng)度符合要求[3-4]。

        然而在實(shí)際生產(chǎn)中常常會(huì)面臨一個(gè)矛盾性的問題,即當(dāng)追求強(qiáng)度最大化時(shí),需要出料口溫度盡可能提高,達(dá)530~560 ℃后再進(jìn)行淬火處理。但是這樣做的結(jié)果是型材易拖爛,擠壓效率低,且尺寸精度難以保證。為了保證型材的精度以及表面質(zhì)量,適當(dāng)降溫是必要的,但降溫的結(jié)果是合金性能不穩(wěn)定[5]。對于6013等硬質(zhì)合金的擠壓來說,由于合金化程度高,合金強(qiáng)度高,擠壓相對變得困難,如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下,合理地控制擠壓溫度以及提高擠壓效率成為企業(yè)面臨的難題。

        本研究根據(jù)現(xiàn)場工藝操作,通過調(diào)整擠壓工藝參數(shù),對比研究了不同條件下加熱的鑄棒對于生產(chǎn)制品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的影響,為擠壓技術(shù)人員提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)方法

        采用兩組參數(shù)對比的方法,所用鑄棒棒徑為229 mm,在2 500 t 擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓。棒材均經(jīng)過540 ℃/2h+570 ℃/12 h 雙級(jí)均勻化處理,然后分別以兩種不同的工藝方式進(jìn)行擠壓。其中工藝1:于多棒爐中將鑄棒加熱至510 ℃直接上機(jī)擠壓,將擠壓出料口溫度控制在525±10 ℃;工藝2:采用多棒爐將鑄棒加熱至450~500℃,然后將鑄棒轉(zhuǎn)至工頻爐加熱至560 ℃固溶5~10 min,然后降溫至500 ℃上機(jī)??刂茢D壓出料口溫度在510±10 ℃,產(chǎn)品壁厚>6 mm,采用穿水冷卻,以增加冷卻效率。淬火后的型材經(jīng)175 ℃/10 h的時(shí)效處理。力學(xué)性能檢測在GMT-6105GD 型萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率為5 mm/min。布氏硬度測試在HBS-62.5型小負(fù)荷布氏硬度儀上進(jìn)行。兩種對比擠壓工藝的基數(shù)如表1所示。

        表1 擠壓工藝參數(shù)

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        兩種擠壓工藝所得型材的力學(xué)性能及表面質(zhì)量如表2所示。從結(jié)果來看,采用常規(guī)擠壓工藝,即在多棒爐中進(jìn)行510 ℃/3 h 以上的固溶處理,然后直接上機(jī)擠壓這種工藝時(shí),當(dāng)出料口溫度大于530 ℃時(shí),型材內(nèi)部拖爛嚴(yán)重。由于溫度較高,在擠壓過程中,合金元素進(jìn)一步固溶于基體,更易獲得過飽和固溶體,在后續(xù)時(shí)效過程中析出更多細(xì)小的彌散相,致使型材的強(qiáng)度更高,其中抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率分別達(dá)到407 MPa、368 MPa和11%。當(dāng)出料口溫度降低(<520 ℃)時(shí),型材表面質(zhì)量良好,但強(qiáng)度有所下降,延伸率有所提高。

        采用對鑄棒先升溫再降溫的擠壓工藝對型材的表面質(zhì)量以及機(jī)械性能是有利的。在本試驗(yàn)中將鑄棒先置于多棒爐中保溫,然后于工頻爐中加熱至較高溫度(560 ℃)固溶一定時(shí)間,然后降溫至500 ℃進(jìn)行擠壓,出料口溫度為510±10 ℃。采用該工藝獲得的強(qiáng)度比常規(guī)工藝更高,且生產(chǎn)速度可以得到一定程度的提升,同時(shí)更容易獲得良好的表面質(zhì)量。采用該工藝獲得的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率分別達(dá)到408 MPa、376 MPa 和12%。此外,對比兩種工藝發(fā)現(xiàn),采用工藝2可以獲得更高的綜合力學(xué)性能。用這兩種擠壓工藝獲得的產(chǎn)品力學(xué)性能對比如表2所示。

        表2 力學(xué)性能對比

        對比兩種工藝的生產(chǎn)效率來看,采用參數(shù)2的工藝的擠壓速度更高,比工藝1的生產(chǎn)效率提升了16.7%,且更易獲得較高的表面質(zhì)量。

        3 分析討論

        在擠壓生產(chǎn)中,通常鑄棒加熱有兩種方式,一為采用多棒爐加熱,二為單棒爐加熱。采用多棒爐加熱可以滿足生產(chǎn)過程中高速擠壓對產(chǎn)能的要求,鋁棒加熱的透心度更高,且對鋁棒也有均勻化處理以及固溶處理的作用。而單棒爐可以分段加熱,操作靈活。但鋁棒加熱時(shí)表面與心部溫度有偏差,且要求鑄棒必須經(jīng)過均勻化處理后才可以使用,以利于擠壓順利進(jìn)行。

        本實(shí)驗(yàn)中兩種工藝對鑄棒采用相同的均質(zhì)處理工藝,即540 ℃/2 h+570 ℃/12 h,使鑄棒充分均勻化。對于熱處理強(qiáng)化型合金來說,固溶程度即意味著合金時(shí)效后的強(qiáng)度,而固溶程度主要與加熱的溫度以及保溫時(shí)間有關(guān),擠壓難度則與合金成分以及均勻化程度等有關(guān)。由于6013 合金強(qiáng)度較高,為保證擠壓順利進(jìn)行,綜合考慮,選用多棒爐進(jìn)行加熱。

        工藝1 采用在多棒爐中加熱至510 ℃、然后直接上機(jī)擠壓的方式,通過調(diào)整工藝參數(shù)并未能取得理想的效果。對6013 等硬質(zhì)合金進(jìn)行擠壓時(shí),往往需要較高的擠壓溫度才能使合金元素充分固溶,從而保證產(chǎn)品強(qiáng)度。本產(chǎn)品采用常規(guī)工藝(510 ℃)時(shí),由于鋁棒溫度較高,變形量大,致使擠壓過程中的溫升大。溫度過高易導(dǎo)致擠壓裂紋的產(chǎn)生,破壞金屬的連續(xù)性,因此不宜采用過快的擠壓速度。如果降低爐溫,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下雖可以提升擠壓效率,但會(huì)導(dǎo)致固溶不充分,性能不能滿足客戶需求的風(fēng)險(xiǎn)。

        工藝2采用的是:先于多棒爐中保溫,再在工頻爐中升溫至較高溫度(560 ℃),然后再降溫至較低溫度(500 ℃)擠壓。因?yàn)楣倘茏钪饕膮?shù)為加熱溫度和保溫時(shí)間,且保溫時(shí)間隨著加熱溫度的升高而減少[6]。采用560 ℃作為固溶溫度,在保證合金不過燒的前提下,大大提升了棒材的固溶效率。該工藝采用三級(jí)固溶的方式,即多棒爐固溶+工頻爐固溶+擠壓過程中的形變固溶,鋁棒固溶更加充分,因此得到的產(chǎn)品性能也更穩(wěn)定。且當(dāng)棒材于較低溫度擠壓時(shí),可以適當(dāng)提升擠壓速度,從而提高擠壓效率,同時(shí)更易獲得優(yōu)良的型材表面。

        4 結(jié)論

        (1)相較于傳統(tǒng)擠壓工藝來說,鑄棒采用先高溫加熱,冷卻后再上機(jī)擠壓的工藝獲得的產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能更優(yōu),且生產(chǎn)效率更高,較傳統(tǒng)擠壓工藝提升了16.7%。

        (2)采用短時(shí)高溫固溶處理,在實(shí)際操作過程中是可行的,并且型材的質(zhì)量更加可控。

        (3)該工藝生產(chǎn)的6013型材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率分別為408 MPa、376 MPa 和12%,布氏硬度可達(dá)123.3 HB。

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