CN106636811B

CN106636811B - 一种高速列车车体用铝合金型材及其制造方法

Info

Publication number: CN106636811B
Application number: CN201611148236.5A
Authority: CN
Inventors: 胡权; 王顺成; 黄志其; 鲁炎卿
Original assignee: Foshan Sanshui Fenglu Aluminium Co Ltd; Guangdong Fenglu Aluminium Co Ltd
Current assignee: Foshan Sanshui Fenglu Aluminium Co Ltd; Guangdong Fenglu Aluminium Co Ltd
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: CN106636811A

Abstract

本发明提供了一种高速列车车体用铝合金型材及其制造方法，所述高速列车车体用铝合金型材组成如下：Zn 5.5~6.5%，Mg 1.5~2.5%，Si 0.5~1.0%，Ru 0.1~0.3%，V 0.1~0.3%，Ti 0.03~0.05%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。本发明高速列车车体用铝合金型材具有强度高、塑性好、耐腐蚀和焊接性能好等优点，其抗拉强度大于450MPa，屈服强度大于380MPa，伸长率大于10%，适合于制造高速列车车体的底架中梁、枕梁、端梁、车厢地板、顶板、侧墙、端墙等，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高速列车车体用铝合金型材及其制造方法

技术领域

本发明涉及铝合金型材制造领域，尤其涉及一种高速列车车体用铝合金型材及其制造方法。

背景技术

我国目前是世界上高速铁路通车里程最长的国家，包括高铁、动车、地铁、城市轻轨、磁悬浮等轨道交通，其中高铁的最高试验运行速度最高已达到486.1公里/小时。高速列车车体的结构轻量化是提高高速列车车体运行速度和运载能力的有效途径。铝合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、导热性好、易于加工成形和易于做表面防护处理等优点，是高速列车车体结构轻量化的首选材料。目前我国运行的高铁、动车、地铁、轻轨、磁悬浮等高速列车车体大部分都是采用铝合金车体，包括车体底架中梁、枕梁、端梁、车厢地板、顶板、侧墙、端墙以及车厢内的座椅架、空调系统、门窗、卫生设施、照明、电视、行李架等。

高速列车车体用铝材中，其中70%以上是铝合金挤压型材。高速列车车体要求铝合金挤压型材大型化、薄壁化、宽幅化、整体化、中空化，以满足高速列车车体的制造需要，同时要求采用挤压性能好、强度高、耐腐蚀性能和焊接性能优良的铝合金材料。对文献资料检索发现，目前我国高速列车车体用铝合金型材仍然以5005、6005、7003、7N01等常规牌号的铝合金为主，但这类铝合金型材的综合性能仍然较差，迫切需要开发挤压性能更好、强度更高、耐腐蚀性和焊接性能更加优良的铝合金型材，以满足我国高速列车车体轻量化和高速化的发展要求。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种高速列车车体用铝合金型材及其制造方法，旨在解决现有技术中铝合金型材的强度、塑性、耐腐蚀和焊接性能不足的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种高速列车车体用铝合金型材，其中，按照质量百分比计，其组成包括：

Zn 5.5~6.5%，Mg 1.5~2.5%，Si 0.5~1.0%，Ru 0.1~0.3%，V 0.1~0.3%，Ti 0.03~0.05%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。一种如上所述的高速列车车体用铝合金型材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选用纯度大于99.9%的铝锭、锌锭、镁锭、结晶硅、Al-20Ru合金、Al-10V合金和Al-20Ti合金作为原材料；

S2：在720~780℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量为5.5~6.5%的锌锭、1.5~2.5%的镁锭、0.5~1.0%的结晶硅、0.5~1.5%的Al-20Ru合金、1~3%的Al-10V合金和0.15~0.25%的Al-20Ti合金，搅拌熔化成铝合金液；

S3：采用占原材料总重量0.5~1.0%的2号精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理；

S4：将铝合金液依次流过设置在流槽上、孔隙度为40~80ppi的泡沫陶瓷过滤板和石墨转子旋转速度为350~400转/分钟、氩气压力为100~150KPa的除气箱进行在线除气除渣处理；

S5：在铸造温度为700~740℃、铸造速度为40~50毫米/分钟、超声波频率为20~30kHz、超声波输出功率为200~300瓦的条件下，将铝合金液超声波振动半连续铸造成直径450~550毫米的铝合金圆棒；

S6：将步骤四的铝合金圆棒以80~100℃/小时的速度升温至520~550℃，然后保温8~24小时进行均匀化退火处理；

S7：将步骤五的铝合金圆棒在挤压筒温度500~520℃、模具温度460~480℃、挤压速度1~3米/分钟条件下挤压成宽度为550~750毫米的铝合金型材，并在模具出口对铝合金型材进行水雾在线淬火处理；

S8：将步骤六的铝合金型材在145~155℃时效处理12~36小时，冷却后得到高速列车车体用铝合金型材。

本发明所述的高速列车车体用铝合金型材及其制造方法，所述高速列车车体用铝合金型材组成如下：Zn 5.5~6.5%，Mg 1.5~2.5%，Si 0.5~1.0%，Ru 0.1~0.3%，V 0.1~0.3%，Ti 0.03~0.05%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。本发明高速列车车体用铝合金型材具有强度高、塑性好、耐腐蚀和焊接性能好等优点，其抗拉强度大于450MPa，屈服强度大于380MPa，伸长率大于10%，适合于制造高速列车车体的底架中梁、枕梁、端梁、车厢地板、顶板、侧墙、端墙等，具有广阔的市场应用前景。

具体实施方式

本发明提供一种高速列车车体用铝合金型材及其制造方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述一种高速列车车体用铝合金型材，其中，按照质量百分比计，其组成包括：

Zn 5.5~6.5%，Mg 1.5~2.5%，Si 0.5~1.0%，Ru 0.1~0.3%，V 0.1~0.3%，Ti 0.03~0.05%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。其中，Zn在铝合金型材中具有较大的固溶度，可产生明显的固溶强化效果，同时Zn还能力与Mg形成强化相MgZn₂，对铝合金型材产生明显的强化作用。随着Zn含量的增加，铝合金型材的抗拉强度和屈服强度都明显提高。但Zn含量超过6.5%时，铝合金型材的挤压加工性能以及塑性都会下降，同时应力腐蚀倾向增大。为了保证铝合金型材获得足够的强度、塑性和抗应力腐蚀能力，因此，Zn含量选择在5.5~6.5%。

进一步地，Mg、Si在铝合金型材中既有固溶强化作用，同时还能形成Mg₂Si强化相，增强铝合金型材的强度。Mg、Si含量越高，铝合金型材的强度也越高。但Mg、Si含量太高，也会引起铝合金型材的塑性下降。为了保证铝合金型材获得足够的强度和塑性，因此，Mg含量选择在1.5~2.5%，Si含量选择在0.5~1.0%。

进一步地，Ru在铝合金型材中可与Al形成RuAl₆化合物弥散相质点，能阻止铝合金型材的再结晶过程，细化再结晶晶粒，提高铝合金型材的再结晶温度。另外，RuAl₆化合物还能溶解杂质元素铁，使铝合金型材中的富铁相从片状或针状组织转变为细密的晶体组织，减小杂质元素铁的有害影响，提高铝合金型材的强度和耐腐蚀性能。但钌含量过高时，容易引起钌的成分偏析，因此，Ru含量选择在0.1~0.3%。

进一步地，V在铝合金型材时效热处理和焊接过程中可与Al析出VAl₃粒子，强烈钉扎位错和亚晶界，阻碍再结晶晶粒的形核和长大过程，对铝合金型材有显著的强化作用，提高铝合金型材的焊接性能，因此，Zr含量选择在0.1~0.3%。

进一步地，Ti是铝晶粒的一种有效的晶粒细化元素，能细化铸棒的晶粒组织，改善铝合金圆棒的组织和成分均匀性。添加0.03~0.05%的Ti元素，可使铝合金圆棒的显微组织从粗大的枝晶细化为细小均匀的等轴晶，提高铝合金圆棒的组织和成分均匀性，改善铝合金圆棒的挤压加工性能。因此，Ti含量选择在0.03~0.05%。

本发明中还提供所述高速列车车体用铝合金型材的制造方法，具体包括以下步骤：

在制备过程中，本发明在优化Zn、Mg主合金元素含量的基础上，再添加微量的Si、Ru、V、Ti元素，形成多元复合微合金强化，提高铝合金型材的强度、塑性、耐腐蚀和焊接性能。

进一步地，本发明通过采用高纯度的铝锭、锌锭、镁锭、结晶硅、Al-20Ru合金、Al-10V合金和Al-20Ti合金为主要原材料，结合炉内精炼和炉外在线过滤、除气处理，确保获得高洁净度的铝合金型材，确保铝合金型材获得高强度、高塑性和优良的耐腐蚀和焊接性能。

进一步地，本发明采用超声波振动半连续铸造方法将铝合金液半连续铸造成直径450~550毫米的铝合金圆棒，利用超声波的振动作用和声空化效应，破碎细化铝合金晶粒，提高铝合金圆棒的组织成分的均匀和挤压性能。

进一步地，本发明通过半连续铸造成大尺寸铝合金圆棒，再挤压成550~750毫米的铝合金型材，可以减小高速列车车体用铝合金型材的焊缝数量，降低生产成本，并提高高速列车车体的整体性能。

为了更详尽的描述本发明的制备方法，以下列举几个实施例更进一步的说明。

实施例1:

一种高速列车车体用铝合金型材的生产组份质量百分比： Zn 5.5%，Mg 1.5%，Si0.5%，Ru 0.1%，V 0.1%，Ti 0.03%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。

所述高速列车车体用铝合金型材的制造方法包括以下步骤：

第一步：选用纯度大于99.9%的铝锭、锌锭、镁锭、结晶硅、Al-20Ru合金、Al-10V合金和Al-20Ti合金作为原材料；

第二步：在720℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量为5.5%的锌锭、1.5%的镁锭、0.5%的结晶硅、0.5%的Al-20Ru合金、1%的Al-10V合金和0.15%的Al-20Ti合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：采用占原材料总重量0.5%的2号精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理；

第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上、孔隙度为40ppi的泡沫陶瓷过滤板和石墨转子旋转速度为350转/分钟、氩气压力为150KPa的除气箱进行在线除气除渣处理；

第五步：在铸造温度为700℃、铸造速度为50毫米/分钟、超声波频率为20kHz、超声波输出功率为300瓦的条件下，将铝合金液超声波振动半连续铸造成直径450毫米的铝合金圆棒；

第六步：将步骤四的铝合金圆棒以80℃/小时的速度升温至520℃，然后保温24小时进行均匀化退火处理；

第七步：将步骤五的铝合金圆棒在挤压筒温度500℃、模具温度460℃、挤压速度3米/分钟条件下挤压成宽度为550毫米的铝合金型材，并在模具出口对铝合金型材进行水雾在线淬火处理；

第八步：将步骤六的铝合金型材在155℃时效处理12小时，冷却后得到高速列车车体用铝合金型材。

实施例2

一种高速列车车体用铝合金型材的生产组份质量百分比： Zn 6.0%，Mg 2.0%，Si0.2%，Ru 0.15%，V 0.2%，Ti 0.04%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。

所述高速列车车体用铝合金型材的制造方法包括以下步骤：

第二步：在760℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量为6.0%的锌锭、2.0%的镁锭、0.7%的结晶硅、1%的Al-20Ru合金、2.0%的Al-10V合金和0.2%的Al-20Ti合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：采用占原材料总重量0.7%的2号精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理；

第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上、孔隙度为60ppi的泡沫陶瓷过滤板和石墨转子旋转速度为385转/分钟、氩气压力为125KPa的除气箱进行在线除气除渣处理；

第五步：在铸造温度为720℃、铸造速度为45毫米/分钟、超声波频率为25kHz、超声波输出功率为250瓦的条件下，将铝合金液超声波振动半连续铸造成直径500毫米的铝合金圆棒；

第六步：将步骤四的铝合金圆棒以90℃/小时的速度升温至5350℃，然后保温18小时进行均匀化退火处理；

第七步：将步骤五的铝合金圆棒在挤压筒温度510℃、模具温度470℃、挤压速度2米/分钟条件下挤压成宽度为650毫米的铝合金型材，并在模具出口对铝合金型材进行水雾在线淬火处理；

第八步：将步骤六的铝合金型材在150℃时效处理24小时，冷却后得到高速列车车体用铝合金型材。

实施例3

一种轨道交通车辆用铝合金型材的生产组份质量百分比： Zn 6.5%，Mg 2.5%，Si1.0%，Ru 0.3%，V 0.3%，Ti 0.05%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%。

所述高速列车车体用铝合金型材的制造方法包括以下步骤：

第一步：选用纯度大于99.9%的铝锭、锌锭、镁锭、结晶硅、Al-20Ru合金、Al-10V合金和Al-20Ti合金作为原材料；RuV

第二步：在780℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量为6.5%的锌锭、2.5%的镁锭、1%的结晶硅、1.5%的Al-20Ru合金、3%的Al-10V合金和0.25%的Al-20Ti合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：采用占原材料总重量1.0%的2号精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理；

第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上、孔隙度为80ppi的泡沫陶瓷过滤板和石墨转子旋转速度为400转/分钟、氩气压力为100KPa的除气箱进行在线除气除渣处理；

第五步：在铸造温度为740℃、铸造速度为40毫米/分钟、超声波频率为30kHz、超声波输出功率为200瓦的条件下，将铝合金液超声波振动半连续铸造成直径550毫米的铝合金圆棒；

第六步：将步骤四的铝合金圆棒以100℃/小时的速度升温至550℃，然后保温8小时进行均匀化退火处理；

第七步：将步骤五的铝合金圆棒在挤压筒温度520℃、模具温度480℃、挤压速度1米/分钟条件下挤压成宽度为750毫米的铝合金型材，并在模具出口对铝合金型材进行水雾在线淬火处理；

第八步：将步骤六的铝合金型材在145℃时效处理36小时，冷却后得到高速列车车体用铝合金型材。

按GB228-2010《金属材料拉伸试验》标准，在实施例1-3的高速列车车体用铝合金型材上取样，并加工成标准拉伸试样，在DNS200型万能电子拉伸试验机上进行室温拉伸，结果如表1所示。

表1 实施例1-3高速列车车体用铝合金型材的拉伸力学性能

实施例	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/%
				1	457.5	386.5	12.7
2	479.1	410.7	11.4
				3	489.2	424.9	10.8

从表1可看到，本发明高速列车车体用铝合金型材的抗拉强度大于450MPa，屈服强度大于380MPa，伸长率大于10%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀和焊接性能优良的特点，适合于制造高速列车车体的底架中梁、枕梁、端梁、车厢地板、顶板、侧墙、端墙等，具有广阔的市场应用前景。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高速列车车体用铝合金型材，其特征在于，按照质量百分比计，其组成包括：

Zn 5.5~6.5%，Mg 1.5~2.5%，Si 0.5~1.0%，Ru 0.1~0.3%，V 0.1~0.3%，Ti 0.03~0.05%，其余为Al和不可避免的杂质，其中，单种杂质的含量小于0.05%，杂质总量小于0.15%;

其制备方法包括以下步骤：

S6：将步骤S5的铝合金圆棒以80~100℃/小时的速度升温至520~550℃，然后保温8~24小时进行均匀化退火处理；

S7：将步骤S6的铝合金圆棒在挤压筒温度500~520℃、模具温度460~480℃、挤压速度1~3米/分钟条件下挤压成宽度为550~750毫米的铝合金型材，并在模具出口对铝合金型材进行水雾在线淬火处理；

S8：将步骤S7的铝合金型材在145~155℃时效处理12~36小时，冷却后得到高速列车车体用铝合金型材。