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        一種6070-T6大截面薄壁鋁合金的工藝研究

        2021-11-17 09:50:12周京輝肖衛(wèi)平
        鋁加工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:力學性能工藝

        周京輝,李 明,肖衛(wèi)平

        (佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司,佛山528133)

        0 前言

        6070合金是以Mg2Si相為主要強化相的鋁合金,屬于熱處理可強化鋁合金,具有耐蝕性高、無應力腐蝕破裂傾向、焊接性能良好、焊接區(qū)腐蝕性能不變等優(yōu)點。6070合金中Si與Mg總含量在1.5~2.9(質(zhì)量分數(shù),%,下同)范圍內(nèi),且含0.15~0.40 Cu,屬于6×××系鋁合金強度較高的合金,主要應用于重載焊接結(jié)構(gòu)與汽車工業(yè)的擠壓材料及管材、橋梁、電視塔、航海用元件、機器零件導管等。某公司客戶要求提供圖1所示大截面薄壁6070-T6鋁型材,要求材料力學性能如下:σb≥340 MPa,σ0.2≥310 MPa,δ5≥8%。針對此要求,從模具設計、擠壓試工藝、時效制度等方面對該材料的工藝開發(fā)進行了研究。

        圖1 大截面薄壁鋁型材截面圖

        1 合金成分及均勻化

        由于型材壁薄、截面寬,故在設計6070合金成分時,按國標GB/T 3190-2008規(guī)定范圍的中下限來控制,以降低擠壓壓力,其主要合金元素成分如表1所示。采用半連續(xù)熱頂鑄造成?450 mm棒,并將其進行560℃保溫6 h均勻化處理,然后水霧冷卻。

        表1 6070鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

        2 模具設計分析與優(yōu)化

        2.1 模具分析

        模具設計采用帶橋的平面模結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡圖及工作帶長度設計見圖2。采用這種設計,出料容易成型,但是模具橋底處鋁水溫升大,出料容易拖爛,對于粘性強的合金,容易增加鋁水與模具的摩擦阻力。該方案設計的模具經(jīng)多次上機都出現(xiàn)拖爛現(xiàn)象,故不建議采用。

        圖2 模具結(jié)構(gòu)簡圖及工作帶長度

        2.2 原帶橋平面模具的初次優(yōu)化

        初次優(yōu)化方案如圖3所示。圖3(a)所示是通過減短工作帶長度以減少鋁與模具的摩擦距離;如圖3(b)所示,加厚中間短腿壁厚,以預防型材因中間部位速度跟不上而最先拖爛;如圖3(c)所示,開通氮氣通道,在線通氮氣可以使模具溫度穩(wěn)定在一定范圍。試驗結(jié)果表明,通過同時實施上述3種優(yōu)化方案(擠壓工藝不變),當擠壓速度達到5 m/min時,型材仍舊出現(xiàn)拖爛現(xiàn)象,沒能生產(chǎn)出合格品,故需要重新設計制作模具。

        圖3 原帶橋平面模模具優(yōu)化

        2.3 模具的重新設計

        從上述分析可知,帶橋的平面模結(jié)構(gòu)無法達到工藝要求的擠壓速度,故需重新設計成不帶橋的平面模結(jié)構(gòu),如圖4(a)所示。模具結(jié)構(gòu)細節(jié)如圖4(b)與4(c)所示。工作帶進料口端(即焊合室)采用入料高、低點設計方案,通過工作帶高、低點的精細分流,可以對容易拖爛的位置提前填充供鋁,而工作帶出料口端是齊平的,不容易因為工作帶高、低點而拖爛;不帶橋后,鋁水不會再分成幾股然后再焊合,從而減少鋁水溫升,使型材避免拖爛。采用帶導流板平面模生產(chǎn),擠壓筒溫度為460℃,模具溫度為480℃,鑄錠溫度為510℃,三溫不變,當擠壓速度達到6 m/min時,型材表面質(zhì)量合格。在線強風冷淬火,鋸切樣板分別按不同時效制度時效。

        圖4 重新設計的不帶橋的平面模

        3 擠壓工藝

        6×××系鋁合金擠壓可以采用在線固溶淬火,通過三溫一速來研究擠壓工藝對型材成型及性能的影響。為確定擠壓在線淬火溫度的出口溫度,先取擠壓態(tài)樣板分別在510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃下保溫30 min,淬火轉(zhuǎn)移時間分別為10 s、20 s、30 s[1],水淬,然后進行170℃×8 h時效處理。各狀態(tài)下的力學性能數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 不同固溶溫度條件下的力學性能

        由表2可知,隨著固溶溫度逐漸提高,抗拉強度與屈服強度也隨之提高;隨著淬火轉(zhuǎn)移時間延長,抗拉強度與屈服強度隨之下降;而斷后延伸率變化不大,且都大于8%。在線淬火的固溶溫度與擠壓筒溫度、模具溫度、鑄錠溫度呈正相關(guān),而淬火轉(zhuǎn)移時間與擠壓速度正相關(guān),故為確保型材力學性能滿足使用要求,需要提高三溫一速。

        實際生產(chǎn)時,設置擠壓筒溫度為460℃,模具溫度為480℃,鑄錠溫度為510℃,擠壓比為47。由于出料口到淬火系統(tǒng)的距離為2.5 m,故要控制淬火轉(zhuǎn)移時間在30 s以內(nèi)時,就要求制品速度在5 m/min以上。當用紅外線探測儀測得制品速度為5 m/min時,出料口溫度為550~560℃,但是模具橋底處的型材出現(xiàn)了嚴重拖爛的現(xiàn)象。而當擠壓速度下降時,既降低了出口溫度,又延長了淬火轉(zhuǎn)移時間,力學性能就達不到客戶的使用要求。為此,需對模具繼續(xù)進行優(yōu)化,確保擠壓速度在5 m/min以上時,型材表面質(zhì)量仍能滿足要求。

        4 時效工藝

        時效溫度分別為160℃、170℃、180℃,保溫時間為5~18 h,對應拉伸性能數(shù)據(jù)見表3。

        由表3可知,160℃×18 h的時效制度能得到最高力學性能,而170℃時效溫度下的峰值出現(xiàn)在保溫8 h時,180℃時效溫度下的峰值出現(xiàn)在保溫7 h時,且3種溫度下的峰值非常相近[2]。為節(jié)約成本,可選擇170℃×8 h的時效工藝制度,此時的抗拉強度、屈服強度、斷后延伸率分別為377 MPa、341 MPa、12.5%。

        5 結(jié)論

        (1)6070合金要求固溶溫度為540~560℃,淬火轉(zhuǎn)移時間控制在30 s以內(nèi)。

        (2)對本研究所述的大截面薄壁6070合金進行擠壓時,擠壓模具宜采用不帶橋平面模結(jié)構(gòu),以滿足快速擠壓的工藝要求。

        (3)6070合金在160℃、170℃、180℃下時效不同時間,能得到峰值接近的力學性能,實際生產(chǎn)中,推薦選用170℃×8 h的時效制度。

        (4)本研究下,型材的最佳工藝制度為:擠壓筒溫度460℃,模具溫度480℃,鑄錠溫度510℃,擠壓速度6 m/min,強風淬火,170℃下保溫8 h時效處理。在此工藝條件下,6070-T6型材的抗拉強度、屈服強度、斷后延伸率分別為377 MPa、341 MPa和12.5%。

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