一種新型模板合金的研究

秦龍傳，呂曉霞，周廣宇，王德營，張 鴻

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

近年來，隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，鋁合金模板以低耗、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用等多種特點(diǎn)在國內(nèi)建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，以鋁代木、以鋁代鋼是綠色建筑結(jié)構(gòu)材料的未來和發(fā)展方向[1-3]。作為中等強(qiáng)度的Al-Mg-Si 合金，6005A 和6061 由于腐蝕性能和焊接性能良好而被廣泛用作建筑型材[4-6]。但是由于其淬火敏感性較強(qiáng)，在擠壓淬火的過程中，因其組織內(nèi)部殘余應(yīng)力過高，導(dǎo)致型材淬火后拉伸矯直困難，且容易產(chǎn)生角度超差、扭擰不合格等情況[7-9]。同時為了確保第二相能夠充分溶解到固溶體中，傳統(tǒng)6005A 和6061 鋁合金往往需要較高的固溶溫度。但多次生產(chǎn)經(jīng)驗表明，較高的固溶溫度會使其在高速擠壓過程中極易產(chǎn)生扒皮現(xiàn)象，一定程度上限制了模板的生產(chǎn)速度、生產(chǎn)效率和成品率[10，11]。

本試驗在傳統(tǒng)6005A 和6061 鋁合金成分和生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，在保證力學(xué)性能合格的前提下，以型材的表面質(zhì)量和尺寸為參考，重新調(diào)整合金成分和型材擠壓工藝參數(shù)（鑄錠加熱溫度、速度和淬火方式），研究一種可以提高模板型材速度、生產(chǎn)效率和成品率的新型鋁合金和型材擠壓工藝，為后續(xù)鋁模板的合金成分、擠壓工藝、型材表面質(zhì)量等多方面的研究和改進(jìn)提供相關(guān)的理論和生產(chǎn)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

本試驗所使用的Al-Mg-Si 合金是在傳統(tǒng)的6005A和6061鋁模板合金成分的基礎(chǔ)上進(jìn)行合金成分優(yōu)化的。所設(shè)計的1 號、2 號和3 號Al-Mg-Si 合金成分見表1。

表1 實驗用三種鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用2 750 t擠壓機(jī)對上述三種合金成分鑄錠進(jìn)行熱擠壓變形，擠壓后型材的截面圖如圖1 所示（以下稱G模板）。為了提高鋁合金模板的生產(chǎn)效率和成品率，實現(xiàn)節(jié)能減耗，擠壓工藝參數(shù)實行“低溫高速”的設(shè)計理念，三種合金的具體擠壓工藝參數(shù)見表2。

圖1 型材截面圖

表2 擠壓工藝參數(shù)

將上述擠壓淬火后的型材在其出料總長度0.5%～1.5%的范圍內(nèi)，以適當(dāng)速度進(jìn)行拉伸矯直，以消除型材內(nèi)部殘余應(yīng)力，并觀察和測量拉伸后型材的表面質(zhì)量、尺寸和角度。將拉伸后的型材進(jìn)行人工峰值時效（時效制度：175 ℃×8 h），并測試時效后型材的巴氏硬度。對每種合金、每個制度取三次測試結(jié)果的平均值，同時將每個制度的型材取3 個力學(xué)試樣，以12 m/min 的拉伸速度進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試，取其平均值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

對采用不同合金成分及擠壓工藝制度生產(chǎn)的型材進(jìn)行人工時效，檢測其巴氏硬度，結(jié)果見表3。由表3可以看出，1、2號合金擠壓型材的巴氏硬度略有不同，但均在合格范圍內(nèi)且最低值14.5 HBW仍高于標(biāo)準(zhǔn)值0.5 HBW。而3 號合金擠壓型材在棒溫為420～430 ℃、速度為12.1～12.6 m/min時，其5#試樣的硬度最小值為14 HBW，相對于1、2號合金擠壓型材試樣（1#～4#）來說偏低一些，但仍可滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。將3 號合金棒溫降低至410～420 ℃，并將速度提高到12.8～13.3 m/min時，時效后硬度下降至13～14 HBW，不滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。人工時效后的試樣力學(xué)拉伸數(shù)據(jù)見表4。1號和2號合金擠壓型材時效后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后延伸率均高出使用標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)3 號合金棒溫為420～430 ℃、速度為12.1～12.6 m/min時，對其進(jìn)行風(fēng)冷淬火，其人工時效后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度雖然較低，但仍可滿足使用標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)一步降低棒溫、速度提升至12.8～13.3 m/min后，其人工時效后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于使用標(biāo)準(zhǔn)。這是由于擠壓速度過快，淬火強(qiáng)度不足，時效后第二相作用較弱所致。故6#試樣性能值低于所需力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，其所對應(yīng)的擠壓工藝也因?qū)е滦筒男阅艿投荒鼙徊捎谩?/p>

表3 型材時效后的硬度

表4 型材時效后的力學(xué)性能

2.2 表面和尺寸

對采用不同合金成分及擠壓工藝制度生產(chǎn)的型材進(jìn)行表面質(zhì)量和扭擰度的觀測和測量，結(jié)果見表5。由表5 可知，三種合金在實行“低溫高速”的生產(chǎn)過程中，1 號合金和2 號合金的鑄錠加熱溫度最低為450 ℃。由于1 號和2 號合金的鑄錠變形抗力較大，擠壓初期突破壓力較高，繼續(xù)降低溫度會導(dǎo)致“憋壓”，出現(xiàn)悶車現(xiàn)象；且1號和2號合金的合金化程度高，過低的固溶溫度將導(dǎo)致時效后力學(xué)性能降低，所以實際生產(chǎn)中1 號和2 號合金鑄錠溫度不能過低，且采用水霧淬火方式可以保證合金的淬火速率。當(dāng)溫度為460～470 ℃，1、2號合金的擠壓速度分別為4.7～5.2 m/min和3.7～4.2 m/min時，型材表面質(zhì)量良好。因扭擰度導(dǎo)致的不合格占比分別為10.7%和13.6%。兩種合金繼續(xù)提速至5.4～5.9 m/min和4.3～4.8 m/min后，型材表面質(zhì)量變差，有表面顆粒出現(xiàn)且在局部區(qū)域有“拉毛”和“扒皮”現(xiàn)象，扭擰度不合格占比也提升至20%以上。

根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，采用1 號合金生產(chǎn)該模板時，“扒皮”型材占比為10.67%；采用2 號合金生產(chǎn)時，“扒皮”型材占比為15.33%。兩種合金表面“扒皮”情況見圖2（b）和（c）。而使用3 號合金生產(chǎn)時，可將鑄錠加熱溫度降低至420～430 ℃，無“憋壓”現(xiàn)象出現(xiàn)，且速度達(dá)到12.1～12.6 m/min時，型材表面質(zhì)量仍保持良好，無顆粒和“扒皮”現(xiàn)象，型材表面形貌如圖2（a）所示。當(dāng)棒溫降至410～420 ℃、速度提速至12.8～13.3 m/min 時，型材開始出現(xiàn)扭擰現(xiàn)象，不合格占比為3.3%，但表面質(zhì)量仍保持良好。同時，局部出現(xiàn)顆粒，尾端有少量“扒皮”，但不合格占比僅為8%。雖然6#試樣表面和尺寸良好，但采用此擠壓工藝制度生產(chǎn)的型材在時效后其硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)，故不建議采用此種工藝。

生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，1 號和2 號合金在進(jìn)行水霧淬火時，因型材表面急冷，局部收縮不均勻，型材多為半開口的“G”型，且開口大小不易控制，角度偏差嚴(yán)重，平面間隙超差占比較大，需要進(jìn)行后期整形處理，降低了型材的生產(chǎn)效率和成品率。而3號合金在進(jìn)行風(fēng)冷時，在滿足型材使用的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)的同時，型材表面收縮程度較小，變形均勻，角度偏差小，一定程度上提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和成品率。

表5 不同擠壓制度下型材的表面和尺寸

2.3 擠壓速度及產(chǎn)量

圖3為不同成分合金擠壓過程中擠壓速度的平均值曲線。1號合金型材擠壓速度的平均值為5.45 m/min，2 號合金型材為4.55 m/mim，而3 號合金型材可以達(dá)到12.35 m/min。三種合金單班12 h 滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下，1 號合金型材單班產(chǎn)量為12.82 t，2 號合金型材較低，僅為11.15 t，而3 號合金型材產(chǎn)量可高達(dá)21.74 t。

圖2 型材表面“扒皮”形貌

圖3 不同合金成分型材平均擠壓速度與產(chǎn)量對比

3 結(jié)論

（1）使用3號合金擠壓生產(chǎn)模板時，可以采用風(fēng)冷淬火方式進(jìn)行在線生產(chǎn)，時效后力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）采用3號合金生產(chǎn)模板型材時，產(chǎn)品表面質(zhì)量光潔，質(zhì)檢尺寸和角度精準(zhǔn)合格，幾乎可以做到無質(zhì)檢廢料。

（3）在保證模板型材力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用3 號合金可以將鑄錠加熱溫度降低至420 ℃，擠壓速度提升至12.1～12.6 m/min，產(chǎn)量提升至21.74 t，是傳統(tǒng)模板合金產(chǎn)量的2～3倍。