２１ 柬工豢技术 工业技术 大型铝合金挤压型材表面粗晶粒层分析 杜微’，王平凯 ，王立臣。 （１．长春工程学院：２．长春工业大学，长春１３００１２；３．吉林省麦达斯铝业制造有限公司，吉林辽源１３６２００） 摘要：本文针对轨道列车用６００５Ａ铝合金大型材生产过程中常出现粗晶层的情况，对其进行实验强度分析。通过实验分析，得出不同厚度的 粗晶层对产品使用的影响。最终得到适合企业生产的铝合金材料的最佳条件。 关键词：车辆用大型铝合金型材；６００５Ａ合金；粗晶层 ＤＯＴ：１０．１６６４０／ｉ．ｃｎｌｄ．３７—１２２２／ｔ．２０１５．２２．Ｏ１８ 高速列车或地铁的运行寿命一般为２０￣３０年，车体至少要承受 上千万次的震动。这就要求车体材料要具有非常好的疲劳性能以满 足各项疲劳强度要求。轨道客车使用的大型铝合金挤压型材在国产 化生产过程中，经常出现表面粗晶层问题。这直接影响着列车的使 用寿命，如何解决这一问题对车辆型材的生产来说非常关键。本文 通过对比欧洲车辆制造厂家对型材表面粗晶层的要求，针对表面粗 晶层的出现对产品强度产生的不良影响，从挤压工艺、模具设计等 方面对影响表面粗晶层的因素进行研究，以求提高大型铝型材的生 产质量。 １ 型材表面粗晶粒层形成机理 表面粗晶层产生的机理十分复杂，其产生原因与很多因素有关， 到目前为止国内外还没有统一的共识，主要有：铜、锰等金属含量 比例影响的观点；合金临界变形度观点；再结晶生成观点以及高温 挤压摩擦变形的观点。一般情况下人们认为，挤压简内的铝合金铸 锭在挤压轴压力作用下向前移动，铸锭外层金属在高压下与挤压筒 内壁产生摩擦，形成剪切变形，变形热使该位置材料的温度升高， 进而使金属的自由能提高，当将其热量升到适当温度时重新形成晶核 并长大，形成再结晶。再结晶之后一般可得到细而均匀的等轴晶粒， 但如果温度利于晶粒长大或加热保温时间过长，再结晶晶粒会长大成 为粗大晶粒。同时，剪切变形会使表层晶格畸变，晶粒破碎严重。 一般情况下，大型铝型材表面粗晶层经常出现在型材壁厚的外部， 宽扁形状的型材在宽度方向的两端容易出现；空心型材在熔合缝附 近容易出现；挤压型材沿长度方向上分布规律是头端浅尾部深，严 重情况下在整个截面上都是表面粗晶层。 欧洲的高速列车、地铁和轨道列车起步较早，其轨道车辆用铝 合金型材的技术标准中对于表面粗晶层这一项有非常具体的要求而 我国的轨道车辆用型材在这方面，到目前为止还没有专业权威的技 术标准出台。 ２表面粗晶层对产品使用的影响 表面粗晶层深度较深的产品，对材料的抗拉强度、屈服强度、 延伸率及疲劳性能都有较大的影响。本文对不同厚度的表面粗晶层 进行试验。试样在三块６００５Ａ铝合金型材上截取、固溶处理加人工 时效处理（Ｔ６状态）；试样壁厚为２．５ｍｍ；其中在每块型材上取两件 拉伸试样，试样沿挤压方向截取；取两件疲劳试样，试样沿挤压方 向截取。取样方法见表１。 在拉伸试验中，选用的试验设备为ＣＳＳ４４１００电子万能试验机， 试验标准依据欧洲标准ＢＳ ＥＮ１０００２—１：金属材料的拉伸试验标准执 行。表２是上述拉伸试样做拉伸试验的数据。 在疲劳试验中，选用的试验设备为ＭＴＳ液压伺服疲劳试验机， 试验标准依据欧洲标准ＥＮ１３９８１—１：金属材料疲劳试验标准执行。 表１ 型材取样方法试验编号 型材编号 试样编号 表面粗晶层厚度 用途 １—１、１．２ 约３／４ 拉伸试样 １ １—３、１．４ 约３／４ 疲劳试样 ２．１、２—２ 整个壁厚 拉伸试样 ２ ２—３、２ ４ 整个壁厚 疲劳试样 ３．１、３。２ 约１／１０ 拉伸试样 ３ ３—３、３．４ 约１／１ｏ 疲劳试样 表２铝合金６００５Ａ拉伸试验 试样 粗晶层 试样尺寸 合金状态 抗拉强度 屈服强度 延伸率 编号 厚度 ｏｂ（ＭＰａ） Ｘｐ（ＵＰａ） ６ｒ％） １．１ 约３／４ １２．６７＊２．５０＊５０ ６００５ＡＴ６ ２６７ ２４３ ９．０ １．２ 约３／４ １２．６８＊２．５０＊５０ ６００５ ６ ２６５ ２４０ ８．８ ２—１ 整个壁厚 １２．５５＊２．５１＊５０ ６００５ＡＴ６ ２５７ ２３８ ８ ８ ２—２ 整个壁厚 １２．４７＊２．５１＊５０ ６００５ＡＴ６ ２６０ ２４０ ８．６ ３—１ 约１／１０ １２．４６＊２．５０＊５０ ６００５ＡＴ６ ２８８ ２６１ １６．６ ３．２ 约１／ｌＯ １２．６７＊２．５０＊５０ ６００５ＡＴ６ ２９２ ２７３ １６ 欧洲标准ＢＳ ＥＮ７５５—２标准要求值 ６００５ＡＴ６ ２５５ ２１５ ８ 试验规范：最大应力：ａｍａｘ＝ｌ１０Ｍｐａ；应力比：Ｒ＝０．１；试验循环基数 １×１０ ；试验频率：＜２００ＨＺ。试验参数见表３、试验结果见表４。 表３疲劳试验参数表 试样编号 宽（ｍｌ３３） 厚（ｍｍ） 面积（ｍｍｚ） 最大载荷 最小载荷 １—３ ２４．Ｏ２ ２ ５０ ６０．０５ ６．６１ ＫＮ ０．６６１ｌ（Ｎ １—４ ２４．０１ ２．５０ ６０．０２５ ６．６０ＫＮ ０．６６０Ｉ（Ｎ ２—３ ２４．０５ ２．５１ ６０．３６５ ６．６４ｌ（Ｎ ０．６６４Ｉ（Ｎ ２—４ ２４．００ ２．５１ ６０．２４ ６．６３ＫＮ ０．６６３ＫＮ ３．３ ２４．Ｏ２ ２．５Ｏ ６０．Ｏ５ ６．６１ ＫＮ ０．６６１ＫＮ ３—４ ２４．Ｏ３ ２．５Ｏ ６０．０７５ ６ ６１ＫＮ ０．６６１ＫＮ 表４铝合金６００５Ａ疲劳试验 试样编号 平均载荷 载荷幅值 频率 循环次数 结果 １．３ ３ ６４ＫＮ ２．９７５ＫＮ ４２ＨＺ ８８２４３７６ 不合格 １ ４ ３．６３ＫＮ ２．９７０ＫＮ ４２ＨＺ １×１０ 合格 ２．３ ３ ６５ＫＮ ２．９８８ｌ（Ｎ ４２ＨＺ ４３１８５８４ 不合格 ２．４ ３．６５ＫＮ ２．９８４ＫＮ ４２ＨＺ ３５７３９６４ 不合格 ３．３ ３．６４ＫＮ ２．９７５ＫＮ ４２ＨＺ １×１０ 合格 ３—４ ３．６４ＫＮ ２．９７５ＫＮ ４２ＨＺ １×１０ 合格 （下转第６５页） ６５ 柬工案技术 能源技术 网络检查制度方面，起爆装置安装完成后，施工队伍应当进行至少２ 天煤矿开采过程中，剥离爆破技术的特点和安全操作要点进行了分 此的检查，以提高系统的稳定性。在日常安全检查制度上，在每次 析，为安全施工提供了一定的思路和方法。 的爆破之前，安全员都需要在现场进行检查，及时发现操作现场的 不规范行为，消除安全隐患和安全事故。 除了以上几个重点的方面需要注意，在安全距离的计算，冲击 参考文献： ［１］马瑞东．剥离爆破在露天煤矿开采中的研究和设计［Ｊ］．科技视 波的计算等方面也需要现场的操作人员引起注意。一般的松动爆破 界，２０１４（１ ９）：２８－２９． 是不需要考虑冲击波的安全距离的，只有抛掷爆破的空气冲击波需 ［２］张荣杰．露天煤矿开采剥离爆破的研究和设计［Ｊ】．科技与企 要考虑。在安全距离的计算上，需要考虑的是振动安全距离和个别 业，２Ｏ１ ３（１ ７）：３４—３５． 飞石的安全距离。 【３］孙志呜．安家岭露天矿抛掷爆破剥离技术应用可行性分析［Ｊ］．露 天采矿技术，２ ０１ ５（０１）：１ ２－１４． ４结语 露天煤矿开采是一个复杂且多变的过程，许多因素都会影响煤 【４］王根涛，牛庆，沈国强．东露天矿基建剥离软岩爆破最优爆破参 Ｊ］．露天采矿技术，２０１２（２１）：３４－３５． 矿开采的质量和安全性。因此，在露天煤矿的开采过程中，爆破技 数确定【５］姚占辉，艾纯起．神华宝日希勒能源有限公司露天煤矿覆土剥离 术的选择是直观重要的。剥离爆破技术是当前露天煤矿开采中较常 【０１ ３（０７）：１４－１ ５． 使用的一种技术手段，具有安全性高、可控性强等特点。本文对露 爆破参数优化的试验研究…．地球，２ （上接第２１页） 夹杂等。 ３结论 从上述试验数据可以看出： （１）虽然部分材料的表面粗晶层厚度超过要求，但其抗拉强度、 （３）当表面粗晶层充满整个型材壁厚时，其抗拉强度、屈服强 度、延伸率仍然能够达到欧洲标准的要求一仅仅是略大于欧洲标准， 但其疲劳性能非常不好，远达不到标准要求。 （４）当表面粗晶层厚度为型材壁厚的１／１０左右时，无论是静 态强度还是疲劳强度都非常好。可以满足生产要求。 参考文献： ［１］肖亚庆，谢水生，刘静安等．铝ｈ￣＿Ｔ－技术实用手册［Ｋ］．冶金工业 出版社，２００５． 屈服强度、延伸率都能够达到标准要求的数值，只是在各项指标上 要小许多。 （２）当表面粗晶层达到壁厚的３／４时，其在静载荷下的性能合 格，但其疲劳性能有合格，有不合格，试样１中的试验结果相差很大， 原因可能是因为材料本身的其它内部缺陷影响的，如：偏析、疏松、 （上接第５１页） 模具的质量、寿命和各部分的功能。 在模具装配过程中，对模具的装配精度应控制在合理的范围内， 模具的装配精度包括相关零件的位置精度，相关的运动精度，配合 精度及接触只有当各精度要求得到保证，才能使模具的整体要求得 到保证。 根据塑胶件的大小的分析与计算，选定模架，模具装配图如图６。 模具加工后装配实物如图７所示。 ６结论 设计该模具运用了以往模具设计的一般方法、步骤，模具 设计中常用的公式、数据、模具结构及零部件。同时结合ＵＧ、 ＭＯＬＤＦＬＯＷ等先进的三维软件技术，缩短了模具设计与制造的周 期，提高了模具的精度和效率，减少了劳动的强度，使得模具结构 更加合理，产品质量得到有力的保证。 图６模具装配图 图７模具实物图 在注射成形过程中，模具的温度直接影响塑件的成型质量和生 产效率，因车轮盖使用的塑料是ＰＡ６６，要求模温高，若模具温度过 参考文献： 低则会影响塑料的流动性，普通的模具通入常温的水进行冷却，通 ［１】屈华昌．塑料成型工艺与模具设计［Ｍ］．机械工业出版社，１ ９９８． 过调节水的流量就可以调节模具的温度。该模具冷却水孔取４根， 【２］唐志玉．模具设计师指南［Ｍ］．国防工业出版社，１ ９９９． 冷却水口口径为６ｍｍ。 ［３］贾润礼．实用注塑模设计手册［Ｋ］．中国轻工业出版社，２ ０００． ５模具的装配 装配模具是模具制造过程中的最后阶段，装配精度直接影响到 ［４］冯炳尧．模具设计与制造简明手册［Ｋ］．上海科学技术出版 社．１９９８．
