1、前言
和諧號CRH6型城際動車組是我國第一款城際動車組，分為時速200和160公里兩款車型，均為4動4托編組列車。其中時速200公里列車，座席定員為557人，滿載1488人;時速160公里列車，座席定員為1514人，滿載2010人。約為干線同速度等級、同編組形式動車組的2倍多，并大于B型地鐵運能，且兼具動車組和地鐵列車的雙重優(yōu)勢，具有快速啟動與停車、安全可靠、高舒適性、節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點。既可以實現(xiàn)高速運營、大載客量，又可以滿足城市群之間短站間距的運用需求。
該城軌列車結(jié)合軌道車輛輕量化的要求，主體車廂采用22款鋁合金特種型材焊接，每節(jié)車廂尺寸為24.5×3.3×3.86m，車體斷面如圖1所示。
此列車用型材生產(chǎn)難度大，技術(shù)要求高。其斷面形狀復(fù)雜，還兼具大斷面、型材長(24.5m)、薄壁、扁寬、壁厚差大等特點，而且對力學(xué)性能、焊接性能、抗腐蝕性能、尺寸精度和外觀質(zhì)量等都要求有優(yōu)異的數(shù)據(jù)指標(biāo)，部分型材斷面如圖2所示。制造此列車車體用鋁合金型材，除需要配備大型熔鑄設(shè)備和擠壓力大于80MN高精密擠壓裝備外，還必須控制好一系列工序的生產(chǎn)技術(shù)工藝條件。下面結(jié)合我公司承擔(dān)的2011年廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(項目編號：2011A090200104)，對和諧號CRH6城軌列車用鋁合金型材生產(chǎn)技術(shù)要點述論如下。
2、生產(chǎn)試驗過程
試驗采用同水平熱頂鑄造法及其透氣磚氣體精煉法生產(chǎn)A6N01和A7N01合金鑄棒，對鑄棒進(jìn)行均質(zhì)處理后車皮，并在90MN和36MN擠壓配套設(shè)備上進(jìn)行擠壓和在線淬火，型材經(jīng)一定時間的自然時效后進(jìn)行人工時效處理。
2.1試驗用材料
擠壓試驗用材料為熔鑄生產(chǎn)的型號與規(guī)格為Ф494mm-A6N01及Ф320mm-A7N01兩種鑄棒，A7N01合金主要用于邊梁結(jié)構(gòu)，共3款型材，
其余為A6N01合金。根據(jù)生產(chǎn)實際需要，對日本標(biāo)準(zhǔn)JISH 4100中的這兩種合金成分進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，具體如下表1所示。
2.2試驗主要設(shè)備
(1)熔鑄配套設(shè)備
鑄棒生產(chǎn)采用25噸熔鑄爐及同水平熱頂鑄造機，其主要配套設(shè)備有：
?、贍t溫自動控制系統(tǒng);
②鋁熔煉在線凈化除氣系統(tǒng);
?、弁笟獯u氣體攪拌系統(tǒng);
④陶瓷過濾器;
?、菰诰€測氫儀;
?、?0噸位均質(zhì)爐。
(2)擠壓配套設(shè)備
型材擠壓使用的是90MN擠壓機和36MN擠壓機，其配套設(shè)備有：
?、倏焖俟ゎl感應(yīng)加熱爐(梯度加溫);
?、谙冗M(jìn)在線淬火裝置;
③雙牽引機;
?、?00噸拉伸矯直機;
?、荻喙δ苷螜C;
?、?0米長時效爐。
2.3 工藝技術(shù)參數(shù)
由于列車型材對強度、抗疲勞、抗腐蝕等要求高，因此鑄棒時必須保證爐內(nèi)合金高度合金化。而在制定模具設(shè)計及擠壓工藝時，除保證產(chǎn)品的成品率外，還需保證產(chǎn)品的尺寸精度和綜合力學(xué)性能等技術(shù)指標(biāo)要求。因此，在生產(chǎn)中，對熔鑄、擠壓和時效工藝都有嚴(yán)格的要求，具體執(zhí)行的工藝技術(shù)要求如表2～表4所示：
3、試驗結(jié)果與討論
3.1鑄棒低倍試驗結(jié)果
對合金鑄棒取樣做低倍檢查，澆口晶粒度1級，底部1～2級，邊部深5～10mm局部有2級晶粒，無其它缺陷。擠壓前對其進(jìn)行車皮處理，性能指標(biāo)滿足列車型材擠壓生產(chǎn)需求。試樣低倍照片見下圖3～圖4所示：
3.2力學(xué)性能試驗結(jié)果
型材試樣力學(xué)性能試驗結(jié)果如表5所示：
3.3維氏硬度及彎曲試驗
型材試樣維氏硬度及彎曲試驗結(jié)果如下表6：
3.4型材金相試驗結(jié)果
(1)A6N01型材樣品金相試驗結(jié)果
低倍組織：樣品檢測面上未見粗晶環(huán)，未見裂紋、縮尾、光亮晶粒、非金屬夾雜、外來金屬夾雜、白斑及化合物等點狀缺陷，低倍晶粒度相當(dāng)于GB/T 3246.2-2012的一級。
顯微組織：樣品未見過燒，平均晶粒直徑約為91.6μm，相當(dāng)GB/T 3246.1-2012的4級，如圖5:
(2)A7N01型材樣品金相試驗結(jié)果
低倍組織：樣品檢測面上未見粗晶環(huán)，未見裂紋、縮尾、光亮晶粒、非金屬夾雜、外來金屬夾雜、白斑及化合物等點狀缺陷，低倍晶粒度相當(dāng)于GB/T 3246.2-2012的一級。
顯微組織：樣品未見過燒，平均晶粒度約為3.3μm，相當(dāng)于GB/T 3246.1-2012的13.5級，如圖6所示。
3.5其它試驗結(jié)果
試樣進(jìn)行的其它試驗結(jié)果如表7所示：
型材焊接后還需進(jìn)行焊縫基本性能、熱裂紋、疲勞強度及焊縫應(yīng)力腐蝕等相關(guān)試驗，檢測的焊接性能均應(yīng)滿足列車型材焊接性能要求。試驗按和諧號CRH6列車車體標(biāo)準(zhǔn)焊接了12米長車體，各款型材拼接良好，車體累計公差小于10mm，焊接后的車體效果如圖7所示。
由列車型材產(chǎn)品的檢測結(jié)果可知，所有檢測結(jié)果均滿足列車型材標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，試驗采用的工藝技術(shù)參數(shù)是完全可行的。
3.6試驗工藝討論
3.6.1熔鑄工藝討論
在熔鑄生產(chǎn)過程中，對于A6N01鑄棒的生產(chǎn)要點與其它6系合金較為相似，在此不做敘述。而在進(jìn)行A7N01合金熔煉鑄造過程時，因為其合金化程度比較高，在熔鑄過程中需控制的參數(shù)比較嚴(yán)，試驗生產(chǎn)過程需注意以下方面：
(1)鋅密度大，加入鋁熔體中易沉爐底不易熔化，鋅直接與火焰接觸易氧化燒損，加入方式較
大程度決定了鋅的實收率高低，通過生產(chǎn)試制驗
證，當(dāng)爐料熔化有一層液體金屬再均勻加入鋅錠的方式可行，燒損少;
(2)在Al―Zn―Mg系合金中微量鈦能細(xì)化合金在鑄態(tài)時的晶粒，避免鑄錠出現(xiàn)羽毛狀晶，降低裂紋趨向性，鈦含量應(yīng)控制在0.02～0.06%之間;
(3)通入的高純Ar氣必須99.99%以上，精煉時間不低于20分鐘，在鑄造前務(wù)必將溜槽及鑄造盤清掃加溫烘干，避免將氫帶入鋁合金熔體。
3.6.2模具設(shè)計討論
合理的模具設(shè)計是實現(xiàn)列車型材產(chǎn)品成型和尺寸精度的重要保證，也是獲得產(chǎn)品優(yōu)良性能的關(guān)鍵點，尤其在控制空心鋁型材的焊縫組織和型材力學(xué)性能方面尤為重要。模具分流孔的大小、數(shù)量、形狀、分布位置，焊合室的形狀和尺寸，模芯的結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù)是在設(shè)計模具時所需考慮的重要部分。經(jīng)過多次試驗研究，模具設(shè)計時需注意如下幾點：
(1)分流孔設(shè)計：對于空腔且壁厚較薄的型材，設(shè)計靠兩邊的分流孔應(yīng)比中心分流孔大，可彌補靠邊金屬流動壓力小，供料困難的不足;
(2)分流橋設(shè)計：為了降低焊合條紋出現(xiàn)的機會或減輕焊合條紋的程度，減少分流橋下死區(qū)，把分流橋的倒角設(shè)計成水滴形，并把分流橋橋尖設(shè)計成20°錐形;
(3)焊合室的設(shè)計：針對多型腔大截面型材的模具設(shè)計，焊合室高度宜大于45mm，合理選擇50～55mm，增強靜壓力和焊合時間，使型材金屬性能達(dá)到強化效果。同時，焊合室周邊用R5圓角過渡，減少死區(qū)，有利于金屬流動;
(4)工作帶的設(shè)計：凹模工作帶在設(shè)計時，把壁厚薄、被分流橋遮蓋住部分的筋部工作帶設(shè)計為最短。從降低擠壓力的角度出發(fā)，在保證制品成型精度的情況下盡量短。
3.6.3擠壓及熱處理工藝討論
車體型材對綜合性能的要求非常嚴(yán)格，擠壓生產(chǎn)過程中要避免出現(xiàn)型材晶粒度及產(chǎn)品的伸長率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)象。因此，我們在保證鑄棒及模具質(zhì)量的前提下，從擠壓工藝的控制以及型材時效制度等方面進(jìn)行了大量試驗。
(1)在型材時效工藝選擇時，對不同時效制度處理的型材測定其室溫力學(xué)性能(抗拉強度Rm、屈服強度RP0.2及伸長率A50mm),具體如表8、表9所示。
從試驗數(shù)據(jù)中，我們選取了A6N01為180℃×2.7h和A7N01為90℃×8h+165℃×10h的二級時效工藝，保證了時效后型材的力學(xué)性能滿足要求。
(2)A7N01鋁合金的合金化程度高，合金的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能及均勻化較差，在擠壓過程中，通過對鑄錠的溫度，擠壓速度等進(jìn)行優(yōu)化，特別是減慢在線淬火速度，能有效地提高型材的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能。
(3)為使擠壓型材整體性能均勻，生產(chǎn)采用等溫擠壓，要求擠壓前加熱的鑄棒從前到后沿軸線溫度逐漸降低，形成每米鑄棒20℃的溫度梯度。擠壓成型后，為獲得穩(wěn)定的組織性能，型材在冷床前12m采用強冷風(fēng)冷卻,12m后采用弱冷風(fēng)吹至型材完全冷卻。
(4)因型材長度為24.5m，試驗用時效爐為30m長，在時效過程中，對時效爐前后需校正好，溫差應(yīng)不大于2℃。時效時，應(yīng)將升溫時間調(diào)長，試驗采用的升溫時間為3個小時，有利于去除型材的內(nèi)應(yīng)力。
4、結(jié)論
(1)對A7N01合金型材自然時效后再進(jìn)行雙級時效，并且隨著時效時間的延長，不僅有效提高該合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，而且在損失少許的力學(xué)性能下，可以大幅度提高合金的延伸率。對于A6N01合金型材，在固定的溫度狀態(tài)下，隨著時效時間的延長，可以有效提高該合金的抗應(yīng)力腐蝕性能和力學(xué)性能，但是合金型材的延伸率是下降的，所以我們選擇的是欠時效工藝。
(2)在模具設(shè)計過程中，需改變以成型率作為設(shè)計重點的思想，而需優(yōu)先考慮產(chǎn)品性能要求。模具焊合室不宜過深，一般以40～55mm為宜，且小芯頭的空刀位置加工需盡可能光滑，這樣生產(chǎn)出的型材晶粒度才更易達(dá)到一級的標(biāo)準(zhǔn)。
(3)企業(yè)如從建筑型材到生產(chǎn)大型復(fù)雜的列車車體用鋁材，除配套一些必備的硬件設(shè)備，如精密模具加工設(shè)備、大型擠壓設(shè)備、溫控精確的時效爐等，還需加強技術(shù)人才的儲備以及技術(shù)人員和生產(chǎn)員工的專業(yè)技能培訓(xùn)，不斷摸索總結(jié)工藝并做到認(rèn)真嚴(yán)格執(zhí)行工藝技術(shù)要求。
(4)建立詳細(xì)的產(chǎn)品跟蹤檔案，從原材料采購、熔鑄、擠壓、檢驗檢測及包裝儲運各工序?qū)γ總€產(chǎn)品都要有完整詳細(xì)的記錄，確保產(chǎn)品信息及可追溯性。
