6061鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材的質(zhì)量控制

滿士國

摘要：針對鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材制造過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，采用平模設(shè)計對鋁合金擠壓過程中出現(xiàn)的形位尺寸、縮尾與粗晶環(huán)等重大生產(chǎn)風(fēng)險點進行了分析，并提出了降低鑄錠上機溫度、優(yōu)化擠壓模具結(jié)構(gòu)等相應(yīng)的控制措施，形成了質(zhì)量控制方案，最終制備出符合用戶要求的鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：滑板車導(dǎo)軌型材；擠壓；縮尾；粗晶環(huán)

中圖分類號：TG 376 文獻標(biāo)志碼：A

基金項目：廣東省省級科技計劃項目（2014B090903002）

Quality Control of 6061 Aluminum Alloy Scooter Guide Rail Profile

MAN Shiguo

（Guangdong JM Aluminium Profile Factory（Group） Co.， Ltd.， Foshan 528222， China）

Abstract： Aiming at the quality problems in the manufacturing process of aluminum alloy scooter guide rail profile， the major production risk points such as shape and position size， tail shrinkage and coarse grain ring occurring in the extrusion process of aluminum alloy were analyzed by using flat die design. The corresponding control measures such as reducing the operating temperature of ingot and optimizing the extrusion die structure were put forward， a quality control scheme was formed， and the aluminum alloy scooter guide rail profile products meeting the requirements of users were finally prepared.

Keywords： scooter guide rail profiles； extrusion； tail shrinkage； coarse grain ring

鋁是地殼中分布最廣、儲量最多的金屬元素之一，鋁工業(yè)的整個發(fā)展歷史不過兩百年，由于鋁及鋁合金具有一系列的優(yōu)異特性，發(fā)展速度非常快，已廣泛應(yīng)用于機械裝備、建筑裝飾、軌道交通、醫(yī)療器械等各大領(lǐng)域，成為發(fā)展國民經(jīng)濟與提高物質(zhì)生活水平的基礎(chǔ)材料。鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材屬于工業(yè)生產(chǎn)的主要結(jié)構(gòu)件，但生產(chǎn)過程中往往壁厚達到或超過5 mm，易出現(xiàn)縮尾、粗晶環(huán)等不良組織。為此，結(jié)合生產(chǎn)實際，采用平模設(shè)計對鋁合金擠壓過程中出現(xiàn)的重大生產(chǎn)風(fēng)險點進行了分析，并提出了相應(yīng)措施，供相關(guān)技術(shù)人員參考。

鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材的生產(chǎn)工藝流程依次為：配料；熔煉；精煉；轉(zhuǎn)注；除氣除渣、細化；鑄造；均勻化；熱擠壓；質(zhì)量檢驗；交貨。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的6061鋁合金為原材料。6061鋁合金直徑為320 mm，化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗方法

將優(yōu)化后的6061鋁合金材料在36MN擠壓機上采用平模正向擠壓生產(chǎn)。由于擠壓溫度、擠壓速度的變化對擠壓力的影響比較大，擠壓溫度越高、擠壓速度越快，越有利于再結(jié)晶的產(chǎn)生和晶粒的長大。為了獲得高性能鋁合金滑板車型材，綜合考慮擠壓機的擠壓能力，并經(jīng)過多次試驗得出穩(wěn)定生產(chǎn)工藝為：模具加熱溫度480～490 ℃，鑄錠加熱溫度460～490 ℃，擠壓速度6～7 m/min。采取不接棒的方式生產(chǎn)，可避免在調(diào)直拉伸過程該型材從焊合處斷開[1-3]。具體擠壓工藝方案見表2。

2 生產(chǎn)風(fēng)險點控制

6061鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材是一種特殊的不對稱實心結(jié)構(gòu)型材，具有斷面大、重量大的特點?；遘噷?dǎo)軌既要有良好的強度，還要有精準的尺寸精度，因此給擠壓生產(chǎn)制造帶來了較大的難度，批量生產(chǎn)困難。6061鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材的生產(chǎn)難點不僅在于熔鑄過程合金成分鑄錠組織的管控，也在于擠壓過程中斷面形位尺寸頭尾偏差大、初始階段與穩(wěn)定階段的工藝波動，及試模過程中的質(zhì)量把控。不同程度的縮尾問題也影響著型材的質(zhì)量穩(wěn)定，加之重量大對生產(chǎn)設(shè)備和人員現(xiàn)場操作要求較高，更是容易碰擦劃表面，往往導(dǎo)致成品率較低。如何提升產(chǎn)品一次合格率，保持型材內(nèi)部組織穩(wěn)定，對所有生產(chǎn)風(fēng)險點的管控至關(guān)重要。

2.1 形位尺寸

圖1為鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材斷面結(jié)構(gòu)圖。從圖1可以看出，滑板車導(dǎo)軌型材的截面外形長度為132.5 mm，高度為107.1 mm。在擠壓生產(chǎn)過程中，特別是初始階段的前幾棒，由于整個型材的前后段受鑄錠溫度的波動及初始階段的工藝調(diào)整速度的影響，尺寸出現(xiàn)較大的“彈跳”，屬正?，F(xiàn)象。另外調(diào)直過程也要注意型材前、中、后尺寸變化及角度90°允許的偏差問題。

2.2 縮尾

擠壓縮尾是由于擠壓時金屬的流動不均勻，致使擠壓制品存在組織性能不均勻的現(xiàn)象，是一種常見的組織缺陷，一般出現(xiàn)在擠壓過程的末期，即紊流壓出階段?？s尾中包含著鑄錠表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，有時還包有氣體，屬于一種嚴重的最終廢品，導(dǎo)致制品在使用過程中發(fā)生斷裂、崩壞等失效現(xiàn)象，具有安全隱患[4-6]。因此控制尾端縮尾長度為1 300～1 500 mm，頭端縮尾長度為600～700 mm，并采取以下必要措施：

（1）增大殘料，即增加壓余長度。壓余長度對縮尾的嚴重程度有著一定影響，適當(dāng)增加壓余長度，則擠壓后期流入模孔的污染金屬越少，從而減少縮尾長度。實踐表明，一般壓余長度為鑄錠直徑的10%～30%。

（2）增加頭尾鋸切長度。機臺生產(chǎn)時，應(yīng)選擇在焊縫附近進行鋸切，通過增加鋸切長度，從而降低不良品率。

（3）鑄錠表面質(zhì)量。鑄錠表面質(zhì)量對縮尾的分布長度有一定的影響，采用削皮機對鑄錠進行車皮，一般單邊2～3 mm，保持干凈光滑的表面，確保擠壓成品的質(zhì)量。

（4）定期清理料膽。由于擠壓過程中，料膽內(nèi)部的殘余雜物可充分流入制品內(nèi)部，加大縮尾長度。為了防止擠壓后期殘留金屬流入型材制品造成縮尾，定期清理料膽也是有必要的。

（5）減緩擠壓尾段速度。型材的合金種類、幾何形狀及尺寸等因素影響著擠壓速度。擠壓速度偏大時，使得金屬的不均勻性加劇，增加縮尾長度，制品表面還可能產(chǎn)生裂紋等缺陷。尤其是擠壓終了階段，適當(dāng)放慢機速可以達到減少縮尾的目的。

2.3 粗晶環(huán)

粗晶環(huán)是在對制品進行擠壓過程中在制品的周邊形成的環(huán)狀、粗大晶粒區(qū)域，也是一種組織缺陷。粗晶環(huán)中的晶粒尺寸可超過原始晶粒尺寸的10～100倍。粗晶環(huán)會引起制品力學(xué)性能的降低，使其抗疲勞性能比中心區(qū)的低，且淬火后以及用帶有這種缺陷的坯料鍛造時，常在粗晶區(qū)產(chǎn)生裂紋[7-9]。具有這種缺陷的鋁型材在拉伸矯直時，表面會顯得粗糙，且不美觀。

6061鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材加工過程的變形不均勻，在制品拉應(yīng)力區(qū)域易形成粗晶。冷卻的不均勻也會導(dǎo)致該缺陷的發(fā)生，一般情況是型材周圍一圈均是較粗大晶粒組織，具體如圖2所示，在固溶處理過程中，保證淬火設(shè)備系統(tǒng)冷卻能力達到工藝要求，避免型材出現(xiàn)較大的表面回溫現(xiàn)象。為此本研究采用了以下幾種行之有效的控制方案。

2.3.1 降低鑄錠上機溫度

適當(dāng)降低鑄錠溫度，使合金材料在變形過程中的型材表面與心部溫度差降低，減輕型材回復(fù)再結(jié)晶過程的異常長大程度，并在一定程度保證型材的表面質(zhì)量，同時注意生產(chǎn)現(xiàn)場操作環(huán)節(jié)連貫穩(wěn)定，保證制品質(zhì)量統(tǒng)一，使得晶粒不易長大，可以減少粗晶環(huán)區(qū)尺寸。

2.3.2 優(yōu)化擠壓模具結(jié)構(gòu)

合理的擠壓模具設(shè)計也至關(guān)重要。在擠壓生產(chǎn)過程中，初始模具設(shè)計制作為簡單平模，生產(chǎn)過程中尺寸波動較大，隨著生產(chǎn)過程的進行，擠壓工藝逐步趨于穩(wěn)定，型材尺寸漸漸回歸正常范圍。為了避免粗晶形成，在 320 mm鑄錠規(guī)格及生產(chǎn)設(shè)備不變的情況下，通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，使得出料過程材料供給方面得到加強和均衡，同時增設(shè)阻流塊[10]，使材料流出均勻穩(wěn)定，也是一個有效減輕粗晶的辦法。

2.4 成品鋸切

由于該 6061 鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材用于比較精密的場合，用戶對產(chǎn)品長度及斷面形態(tài)有著嚴格的交付標(biāo)準。為了保證型材定尺準確，斷面光潔，需要穩(wěn)定鋁材及鋸口走向，要想保護鋸片不受損傷，就必須具備一種穩(wěn)定鋸切狀態(tài)。即鋸機設(shè)備剛性優(yōu)良，還要有硬質(zhì)合金圓鋸片，且具備良好的鋸切精度，精密控制在±0.03 mm，兩者結(jié)合起來才能達到滿意的鋸切效果。另外，每鋸切完一條應(yīng)在型材兩端分別標(biāo)識“頭”、“尾”字眼，便于后期產(chǎn)品安裝、使用要求。

3 結(jié) 論

采用6061T4鋁合金和選擇設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝，通過質(zhì)量控制計劃書可制備出符合用戶要求的鋁合金滑板車導(dǎo)軌型材產(chǎn)品，經(jīng)進一步加工應(yīng)用于滑板車可以達到的零部件使用要求。

參考文獻：

[ 1 ]王祝堂， 田榮璋. 鋁合金及其加工手冊[M]. 2版. 長沙：中南大學(xué)出版社， 2000.

[ 2 ]葉朋飛， 呂慶玉， 郭文利， 等. 6061鋁合金大規(guī)格擠壓棒材生產(chǎn)工藝的研究[J]. 輕合金加工技術(shù)， 2009， 37（1）： 37–39.

[ 3 ]韓海波. 鋁型材精密擠壓工藝控制和模具設(shè)計分析[J].精密成形工程， 2016， 8（2）： 76–81.

[ 4 ]曾偉， 劉麗英， 張曉霞. 鋁合金擠壓棒材縮尾的成因與控制[C]//第五屆鋁型材技術(shù)（國際）論壇論文集. 廣州： 中國有色金屬學(xué)會， 2013： 770–774.

[ 5 ]楊志勇， 何金， 石嬌， 等. 6082鋁合金型材縮尾、成層缺陷的分析與解決[J]. 熱處理技術(shù)與裝備， 2019， 40（5）： 37–40.

[ 6 ]張涵源， 程仁寨. 縮尾缺陷對鋁合金組織和性能的影響[J]. 鋁加工， 2018（5）： 43–46.

[ 7 ]高爽， 劉建生， 王睿， 等. 6061鋁合金擠壓棒材粗晶問題研究[J]. 有色金屬加工， 2019， 48（3）： 49–52.

[ 8 ]李浩， 裘楨， 王燕. 6061棒材晶粒度大、粗晶環(huán)嚴重工藝研究[J]. 鋁加工， 2013（3）： 20–22.

[ 9 ]曹振華， 孫巍， 榮偉， 等. 6082鋁合金擠壓棒材粗晶環(huán)問題研究[J]. 熱處理技術(shù)與裝備， 2014， 35（5）： 37–39.

[10]辛秀廣， 撒興瑞， 王曉眉. 多孔平模擠壓制備小直徑鈷絲工藝研究[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇， 2018， 17（23）： 59–60.