一、概述

隨著我國軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金由于其自身的特性，滿足了這個行業(yè)向輕量化發(fā)展的需求。鋁合金在軌道客車上的應(yīng)用從最初以6063制作的裝飾材料，逐步發(fā)展為以6061、6005A、6082等鋁合金為主要材料的各種型材來制作的結(jié)構(gòu)件和功能件。為了得到更高的力學(xué)性能交貨狀態(tài)也都是T6，以鋁合金替代鋼鐵材料已成為發(fā)展趨勢。

由于這類合金都屬于熱處理可強化合金，要想得到更高的力學(xué)性能就得采用固溶淬火和時效的工藝手段來實現(xiàn)，不過這種處理方式生產(chǎn)成本較高。傳統(tǒng)的淬火是利用離線的方式，制品擠壓完成后，在立式淬火爐中加熱冷卻來淬火，這種方式能耗高，效率低，而且工序多，流程長，淬火制品的長度往往受到立式淬火爐的爐膛長度限制而導(dǎo)致綜合成品率降低。

近年來，大家都在研究如何通過擠壓生產(chǎn)后的溫度控制來實現(xiàn)在線淬火，以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本來生產(chǎn)這類合金型材。在線淬火是利用擠壓機余熱在前梁出口對鋁合金擠壓制品實施快速冷卻以達到固溶淬火的目的，在線淬火根據(jù)冷卻的程度不同分為風(fēng)冷、水霧冷卻、噴水冷卻和水溶冷卻等，在擠壓機上淬火是擠壓生產(chǎn)的一次重大革命。在線淬火不需要重新加熱，大大降低了能源消耗，簡化了工藝流程，縮短了制品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。同時制品長度不受吊運和淬火爐的限制，減少了幾何廢料和工藝廢料的損失，減少了吊裝的碰傷劃傷，提高了制品的表面質(zhì)量和成品率，大大降低了人工勞動強度。

在線淬火雖然有很多優(yōu)點，但是由于受到擠壓過程的限制也有不少缺點，不是所有的熱處理可強化合金都能實現(xiàn)在線淬火而獲得理想的強化效果，只有符合條件的合金和制品才能采用這種方式來生產(chǎn)。

二、軌道交通常用6系合金特性及工藝性要求

1、6063合金

6063鋁合金是6系合金中具有中等強度的合金，Mg和Si是其主要合金元素，用于軌道客車行業(yè)的地鐵車輛、鐵路客車、高速客車的結(jié)構(gòu)件材料和裝飾材料，如車門窗、貨架、空調(diào)器、散熱器。

6063合金的Mg2Si含量相對較低，對淬火速度不太敏感，如含有0.8%Mg2Si的6063合金，從545°C冷卻到204°C,最小冷卻速度為38°C/min，直接風(fēng)冷淬火，人工時效就可達到規(guī)定的力學(xué)性能。在線風(fēng)冷與水冷相比，人工時效后的抗拉強度相差不大，但屈服強度差別明顯。采用擠壓在線淬火時，為了保證制品的力學(xué)性能，要求擠壓時型材的出口溫度控制在510-530°C,來使Mg2Si強化相最大限度的固溶，以保證人工時效后的強化效果。但溫度過高，就會形成粗大的再結(jié)晶組織，反而使制品強度降低，因此必須保證制品出?？椎臏囟冗_到淬火工藝要求。人工時效制度，T5采用200°C±5°C,保溫1.5-3小時，T6采用175°C±5°C,保溫6-8小時。

2、6061合金

6061合金，具有中等強度，強度高于6063，這與Mg和Si含量的增加以及少量的Cu和Cr的添加有關(guān)。6061合金還具有良好的塑性和優(yōu)良的耐蝕性。其工藝性能與6063基本相同，特別是無應(yīng)力腐蝕開裂傾向，其焊接性優(yōu)良，耐蝕性及冷加工性好，是一種使用范圍廣很有前途的合金，廣泛應(yīng)用于要求有一定強度和抗蝕性高的各種軌道車輛結(jié)構(gòu)件。

隨著6061合金Mg2Si強化相的增加，強化效果亦增加，淬火敏感性也隨著增大，風(fēng)冷淬火與水冷淬火人工時效后的力學(xué)性能差別明顯。淬火冷卻速度與合金中Mg2Si強化相數(shù)量成正比。含有Mg2Si多的合金淬火敏感性高，對力學(xué)性能影響較大，含有1.4%Mg2Si的6061合金，從545°C冷卻到204°C,最小冷卻速度不應(yīng)小于650°C/min，因此6061合金不能實現(xiàn)風(fēng)冷淬火，必須采用水冷才能獲得人工時效后的較高強度。

3、6005A合金

6005A鋁合金的力學(xué)性能高于6063低于6061，具有中等強度、良好的機械性能、抗腐蝕性能和較好的焊接性能，而且具有優(yōu)異的熱擠壓性能，它可以擠壓成各種形狀復(fù)雜的大型薄壁空心、實心型材。６００５Ａ合金其擠壓性能與６０６３的接近，也能在擠壓機上實現(xiàn)在線淬火，但其抗拉強度高于６０６３。6005A鋁合金通常應(yīng)用于交通運輸領(lǐng)域。利用先進的擠壓技術(shù)，可以將6005A鋁合金鑄錠擠壓成大型薄壁寬幅型材，這種新型材用于制造高速地鐵、高速客車的車體，大大減輕了車輛的重量，提高了車輛的運行速度，獲得了綜合的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著我國高速、輕型鋁合金列車和地鐵列車以及輕型客貨汽車的研究開發(fā)， 6005A鋁合金在我國將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

6005A合金中過剩Si、Mn、Cr含量增加，其淬火冷卻速度也要提高。6005A合金的Mg2Si含量與6063合金的相近，但低于6061合金的，其過剩Si較多。幾種鋁合金在抗拉強度達到最大值的90%的時間溫度性能曲線見圖1。由圖1可見， 6005A合金的淬火敏感性遠(yuǎn)低于6061合金，略高于6063合金。因此，該合金可在擠壓時進行在線水霧淬火或強制風(fēng)冷淬火。6005A合金的淬火溫度為525～535℃，合金淬火時從545～204℃的冷卻速度應(yīng)要高于180℃/min，可在擠壓機列上進行水霧冷卻淬火或強制風(fēng)冷淬火。

圖為：幾種鋁合金在抗拉強度達到最大值前的時間溫度性能對比曲線

4、6082合金

6082鋁合金是這幾種合金中強度最高的合金，具有良好的焊接性能和耐腐蝕性，主要應(yīng)用于交通運輸和結(jié)構(gòu)工程中力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)件。Mg2Si是主要的強化相，但合金中Mn和Mg的含量稍高，并含有Cr提高了合金的在結(jié)晶溫度。

鑄錠加熱采用工頻感應(yīng)加熱，這種加熱方式的特點是：加熱時間短，在3min內(nèi)即可達到500℃左右；溫度控制準(zhǔn)確，誤差不超過±3℃。如果用電阻爐緩慢加熱，將會導(dǎo)致Mg：Si相析出，影響強化效果。

綜合考慮6082鋁合金的主要特點，結(jié)合實踐生產(chǎn)制訂擠壓工藝如下：6082合金變形抗力大，所以鑄錠加熱溫度應(yīng)偏上限(485—510°C)。模具溫度取460°C-480°C為宜，擠壓筒溫度為420— 480°C 。擠壓速度控制在7—11m／min的范圍內(nèi)；要使合金主要強化相Mg：Si完全固溶，須保證淬火溫度在510°C以上，因此型材擠壓出口溫度應(yīng)控制在510—535°C范圍內(nèi)；6082合金淬火敏感性高，要求淬火冷卻強度大、冷卻速度快，制品出前梁后必須立即進行在線淬火。冷卻速度按6061合金的冷卻速度控制，必須使溫度迅速降到150°C以下。

三、在線淬火工藝方法研究確定

鋁合金淬火時通過快速冷卻的方式把型材高溫時的固溶組織保存為型材室溫下的過飽和固溶體組織，再通過時效使過飽和組織中的強化相呈彌散狀析出，以便達到強化效果特別是能夠提高材料的抗拉強度。

淬火的冷卻速度除了與合金的特性有關(guān)外，還與制品的尺寸形狀有關(guān)。壁厚薄的制品降溫速度快，需要的冷卻速度低；壁厚厚的制品由于芯部熱量不易散出，需要較高的冷卻速度才能滿足淬火需求對于壁厚2．0mm 以下的型材只要能滿足工藝要求的可優(yōu)先考慮用強風(fēng)冷卻淬火；壁厚2．0mm以上的型材須用水冷淬火處理。淬火后要按標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能指標(biāo)檢測力學(xué)性能，達到標(biāo)準(zhǔn)的為工藝合格，否則再進行改進。

采用風(fēng)冷淬火時，為保證冷卻效果，風(fēng)機的風(fēng)量要足夠大。且必須保證每個合金牌號所要求的冷卻速度，故風(fēng)機要設(shè)置成上下兩排，分兩路或四路控制，以便隨時調(diào)節(jié)所需的風(fēng)量或控制型材的冷熱不均勻所導(dǎo)致的的變形。因為在線風(fēng)冷的方法現(xiàn)在大家都能夠掌握在這里不再做太多的敘述。

采用在線水冷的型材最早是采用穿水方法來生產(chǎn)較為規(guī)則的鋁棒等產(chǎn)品。不過用這種方法生產(chǎn)不規(guī)則型材時，穿水過程中由于型材的不規(guī)則性，致使兩邊的堵水板制作的規(guī)格較多，并且不能夠完全控制水從縫隙中流出，所以淹沒型材以上的水面不好控制。由于水面上下不均，型材時而露出，時而完全淹沒，正因為這樣的冷卻不均勻而導(dǎo)致型材彎曲變形不好控制。

隨著近幾年的發(fā)展，現(xiàn)在有比較先進的自動化在線冷卻淬火系統(tǒng)，生產(chǎn)起來比較容易。不過除6063以外的其它6系合金擠壓型材要求的品種較多，訂單比較零散，所涉及到的擠壓機噸位從小型到大型都有。又加上自動化在線冷卻淬火系統(tǒng)價格昂貴，我們暫時不能給每個型號的擠壓機上都配套裝上自動化在線冷卻淬火系統(tǒng)。為了節(jié)約設(shè)備投入成本，我們召開了技術(shù)攻關(guān)會議，根據(jù)自動化在線淬火系統(tǒng)的生產(chǎn)原理，來研究自己制作在線淬火噴水冷卻裝置來生產(chǎn)這些型材，并獲得了成功。

四、在線冷卻裝置的制作與使用

制作冷卻裝置的主要材料我們選用了60*25*1.0mm的鋁合金矩形管，按照擠壓機和型材的大小鋸切成合適長度的主料，再鋸切30mm長度的鏈接料，鋸切好后在主料的方管的中間部位按圖2所要求的孔距，用電火花或鉆床等加工設(shè)備鉆上直徑1mm的小孔，作為主要的噴水面見圖3。

圖為：軌道鋁材在線冷卻裝置的制作方法與應(yīng)用

鉆孔完成后把這些矩形管兩端焊死堵上，在兩個側(cè)面開上矩形孔以便于通水，焊接的方式用鏈接料鏈接主料，形成三個類似“王”字的鏈接單元見圖4。組數(shù)的多少依照冷卻速率而定。我們安裝在1650T擠壓機上，焊接接冷卻區(qū)長度為2米左右。

軌道鋁材在線冷卻裝置的組裝與焊接方法

最后把這三個單元按圖5所示的方式焊接成一個整體，圖中三個箭頭表示三個進水口，接上水泵等供水裝置，分別從同一端接上三路高壓水管，下面再用一個水箱收集回流水，裝在擠壓機的出料口處。

這個系統(tǒng)分為前、下、后三個面，每個面之間的水路都是采用獨立閥門單獨控制，這樣制作的目的就是為了控制擠壓時型材的壁厚不一致所需要的冷卻量不同，靠調(diào)節(jié)閥門的流水量來達到控制冷卻量的目的，以保證型材不產(chǎn)生彎曲變形，這樣打開三個閥門系統(tǒng)之間就形成了相互對射的三股水流，這三股水流的強度可以隨時手動控制。型材從這三股水流中穿過，水流噴到型材的表面，形成了蒸汽帶走很多的熱量，余熱又被流動的水帶走了，克服了穿水生產(chǎn)不好控制和穿水時在型材表面形成的一層細(xì)小氣泡而影響散熱的缺陷。經(jīng)過測試這個冷卻裝置的冷卻強度可達到100-200°C/S,能夠滿足壁厚10mm以下型材的生產(chǎn)要求。

五、結(jié)論

本文介紹了軌道交通常用6系合金的特性及在線淬火工藝性要求，并介紹了自己制作的在線淬火裝置生成制作法，通過這套淬火裝置，實現(xiàn)軌道交通常用6系鋁合金擠壓材的在線淬火生產(chǎn)。

1、在線淬火可縮短生產(chǎn)周期降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)在線淬火主要考慮合金淬火的溫度范圍、冷卻速度等因素；針對不同的合金選用不同的冷卻速度，才能使在線淬火獲得最好的熱處理強化效果。

2、我們按上述冷卻速度對6061、6005A、6082合金擠壓制品進行在線水冷淬火 獲得很好的力學(xué)性能，完全滿足DIN  EN 755-9和GB/T 6892標(biāo)準(zhǔn)的要求的力學(xué)性能指標(biāo)。

3、這種方法冷卻后型材的溫度即可迅速降低到50°C以下，完全滿足了6系合金壁厚10mm以下型材淬火工藝要求。

4、采用這種方法靈活方便生產(chǎn)隨時變動機臺，節(jié)約了大量設(shè)備投資，有些特殊要求的型材只要通過技術(shù)改革也可以完成生產(chǎn)要求。