【铝合金型材流体管多种工艺】

          高铁车厢是用铝材焊接的，有的高铁线经过零下三四十摄氏度的高寒地带；南极科考船上的一些仪器、装备与起居用品是以铝材制造的，需要经受零下六七十摄氏度的考验；由中国经北极到欧洲的商船上有些装备也是用铝材制造的，其中的一部分露在外面，环境温度也在零下五六十摄氏度；它们能在这样的寒冷环境中正常运转吗？没问题，铝合金及铝材是*不怕寒冷酷热的。说说铝合金的低温性能--铝及铝合金是*好的低温材料，没有低温脆性，不像普通钢材、镍合金等那样有明显的低温脆性，它们的强度性能虽然随着温度的降低而升高，但是塑性与韧性却随着温度的下降而降低，即有明显的低温脆性。可是铝及铝合金则大不一样，没有一丝丝低温脆性，它们的一切力学性能均随着温度的降低而全面明显上升，与材料的成分无关，不管是铸造铝合金还是变形铝合金，也不管是粉末冶金合金，还是复合材料；与材料状态也没有关系，不管是加工状态的，还是热处理状态的；也与锭坯制备工艺无关，不管是用铸锭轧制的，还是用熔体连续铸轧的或连续连轧的；与铝的提取工艺更无关系，电解的、碳热还原的、化学提取，通通都没有低温脆性；与纯度也无关，不管是99.50%~99.79%的工艺纯铝，还是99.80%~99.949%的高纯铝、99.950%~99.9959%的超纯铝（Super Purity）、99.9960%~99.9990%的极纯铝（extreme purity）、>99.9990%的超高纯铝等都没有低温脆性。有趣的是，另两个轻金属——镁、钛跟铝一样也没有低温脆性。高铁车厢铝材有Al-Mg系的5005合金板材、5052合金板材、5083合金板材及型材，Al-Mg-Si系的6061合金板材及型材、6N01合金型材、6063合金型材，Al-Zn-Mg系7N01合金板材及型材、7003合金型材。标准状态有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。由表中的数据可明显地看出，不管哪种铝合金，它的力学性能均随着温度的降低而上升，所以铝材是一类绝妙的低温结构材料，火箭的低温燃料（液氢、液氧）储罐、液化天然气（LNG）运输船上与岸基储罐、低温化工产品容器、冷库、冷藏车等都可以用铝材制造。在地球上跑的高速列车的车厢与车头的结构件凡是可用铝合金制造的零部件都可以用现行的相应铝合金制造，不需要另辟蹊径研究一种在高寒地区运营的厢体结构铝合金及其生产工艺，当然如果能研发一种各项性能比6061合金大10%左右的6XXX合金，或比7N01合金全面约大8%的7XXX合金，那当然是功劳很大的。实际上，在我国黑龙江省，以及以后在内蒙古自治区、新疆维吾尔族自治区、西藏自治区、青海省跑的高铁对铝合金结构来说算不了“高寒”，不需要对合金成分作特殊处理，也不需要对材料生产工艺参数作专门调整。只要为高张高铁或以后为在其他寒冷地区运营的高铁车辆厢体生产的铝材性能符合中国GB、欧洲EN、日本JIS、美国ASTM等标准要求，就是合格的产品，不需要采取特殊措施，以免加大成本。车厢铝合金的发展趋势：在现在轨道车辆厢体制造和维护中用的板材合金有5052、5083、5454、6061等合金，用的挤压型材有5083、6061、7N01等，此外一些新的合金诸如5059、5383、6082等也有所应用。它们都有良好的可焊性，焊丝为5356或5556合金，当然*好是采用摩擦搅拌焊（FSW），不但焊接质量高，而且不用焊丝。后来日本研发的7N01合金（Mn0.20~0.7、Mg1.0~2.0、Zn4.0~5.0，单位%），在轨道车辆制造中获得广泛应用；德国在制造高铁Trans Rapid车厢时采用5005合金板制作壁板，用6061、6063、6005合金挤压所用的型材。总之，直到目前无论是中国还是其他 制造高铁车辆基本上仍沿用这些合金。200km/h~350km/h列车厢体铝合金：我们可根据列车运营速度将厢体铝合金分为：速度<200km/h的车辆用的可称为 代合金，它们是常规的合金，多用于制造城市轨道车辆厢体，如6063、6061、5083合金等；第二代铝合金如6N01、5005、6005A、7003、7005合金等用于制造速度为200km/h~350km/h的高铁车辆厢体；第三代合金是6082、含钪的铝合金等。除了6N01、7N01合金（它们是日本合金，N代表Nippon）外，还有7003合金，它的Mg含量比7N01合金的低，是一种低Mg的Al-Zn-Mg合金，它的可焊性及强度与7N01合金的相当，并具有更高的可挤压性能。日本东北和上越新干线、札幌地铁大量采用7003、7N01合金生产壁厚3mm的宽幅型材6005A合金（Si0.50~0.9、Mg0.40~0.7、Mn和Cr 0.12~0.50,%）是法国注册的，与美国6005合金相比，Mg与Si的含量相等，但增加了0.12%~0.50%的Mn的Cr，不但有与6063合金相当的可挤压性能，而且强度性能也有所提高。6N01合金也如此，日本山阳电化铁路3050型车辆厢体侧板（宽507mm、壁厚2.5mm）、宽558mm的地板，以及制造侧板挂钩、檐梁等的大型宽幅空心型材都是用6N01合金挤压的。350ktm/h~450km/h列车厢体铝合金：这是厢体用的新一代铝合金，列车速度高达450m/h，车辆须承受更大的外力，受到的震动也更强烈，因此应研发新一代轻量化高铁铝合金。含钪的铝合金。钪是铝及铝合金*有效的晶粒细化剂，也是优化铝合金性能有效的元素之一，钪的含量都<0.5%，凡含有钪的合金，不管含量多少都统称铝-钪合金。Al-Sc合金有强度高、塑性好、可焊性优良、抗蚀性强等优点，是舰船、航空航天器、反应堆、国防军工器械等领域选用的新一代铝合金之一，当然也可以用于制造铁路车辆结构。不过向现行铝合金添加钪，对组 织性能的改善如何，尚有待系统的研究，钪是一种稀土元素，中国是世界上的钪生产国，在Al-Sc合金研究方面居世界前列，但总的来看还不如俄罗斯，在Al-Sc合金研究与应用方面俄罗斯是领跑者。东北轻合金有限责任公司、中南大学、航天材料及工艺研究所对Al-Sc合金的研发作了许多工作，他们研究的“大尺寸5B70铝-镁-钪合金板材”获2017年度中国有色金属工业科学技术一等奖，获二等奖的也有一项，为“航天用可焊高强Al-Zn-Mg-Sc合金”。

            浅谈如何提高铝型材用粉末涂料的耐候性:喷涂在铝型材表面的粉末涂膜的耐候性，是影响铝型材寿命的关键性因素。本文主要从粉末涂料的原材料、配方结构、制作工艺、固化条件等技术角度分析，并结合所做的实验结果，总结出几个提高粉末涂料耐候性的可供参考的思路，从而*终达到延长铝型材寿命的目的。随着国民经济的快速发展，粉末涂料的户外应用越来越普遍，人们对粉末涂层耐候性和耐久性的关注度不断提高，特别是对铝型材、天花板、幕墙板等室外用品表面的粉末涂膜的耐候性要求越来越高。粉末涂料主要由树脂、固化剂、助剂、颜填料等组成，喷涂在铝型材表面的涂层随着时间的延长，受周围自然因素如日晒、雨淋、氧化、冷热变化以及生物等的作用，会出现性能逐渐降低的现象，即老化。粉末涂料抑制或延缓自然老化的能力称为耐自然老化性，简称耐老化性，也叫耐候性。影响粉末涂料耐候性的因素很多，其中包括粉末涂料成分中的树脂、固化剂、颜填料、助剂等各种原材料的性能、用量、配比等内部因素；以及粉末涂料制作过程的工艺条件和涂料的固化程度；还有涂膜的使用环境如日光（主要是紫外线）的作用、大气的组成（氧、臭氧、工业烟雾等）、湿度（包括酸雨、盐雾等）、温度变化等外部因素。
从粉末涂料本身的角度来看，提高粉末涂层耐候性能主要从原材料、配方结构以及制作工艺等方面着手。一、原材料：粉末涂料主要由树脂、固化剂、助剂、颜填料等材料组成，这些原材料的耐候性，基本上决定了涂料的耐候性。因此，要提高粉末涂料的耐候性能，首先要选择耐候性能满足铝型材行业要求的原材料，而且这些耐候性合格的原材料也要满足涂膜的其他性能。当涂膜的各项性能相互间产生冲突时，可以根据客户的要求侧重于某项性能，但是人工加速老化试验结果要满足GB 5237.4-2008中加速耐候性的要求。1.树脂：因为树脂是粉末涂料的主要成膜物质，是决定粉末涂料性质和涂膜性能的*主要成分，所以树脂的选择至关重要。选取市面上大型常用的铝型材用粉末涂料聚酯树脂，使用同一配方结构和相同制作工艺分别制粉进行300小时耐老化试验以及涂膜外观比较，结果如表1所示。（加速老化条件为8小时光照，4小时凝露循环；UVB-313EL灯，辐照度0.65W/㎡，光照温度60℃；凝露温度50℃）由试验结果可知，树脂D、F、H在通一系列的树脂中耐候性较好，但这种树脂的缺点是分子量大，熔融黏度高，如果应用在平面粉中*终会导致涂膜流平性能差。所以，通过在粉末涂料配方中选用耐候性能好的树脂来提高平面粉的耐候性能时，必须考虑到涂膜的流平是否会变差，变差之后客户能否接受。2.固化剂：尽管HAA体系的固化剂环保型众所周知，但是它的缺点是固化反应有副产物形成，厚喷时容易产生针孔、猪毛孔等弊端，涂膜过烘烤耐泛黄性和耐久性不如TGIC体系。[1]铝型材行业目前难以接受HAA体系的这些弊端，或者说是大部分粉末没有解决这些弊端，所以铝型材用粉末涂料还是以TGIC体系为主。固化剂TGIC对粉末涂料的耐候性能也有一定的影响。
经过对国内三家销售量排名靠前的的TGIC进行耐老化检测，发现它们的耐老化性能基本一致，无较大的差别。因此，在通过固化剂TGIC的选择上去提高粉末涂料的耐候性，并无多大的意义。3.颜料：颜料对粉末涂料耐候性的影响在原材料中是除了树脂之外影响*大的因素，因为颜料在使用过程中会褪色，所以对于铝型材用粉末涂料的颜料的选择也很重要。市场上即使是用一种颜色的颜料，它的品种非常多，不同品种的色相、着色力、遮盖力、耐候性、耐热性等性能千差万别，这给我们粉末涂料的选择带来很大的难度。颜料按化学组成分为无机颜料和有机颜料，它们的优缺点如表2所示。颜料的选择要从多方面考虑，如颜料的色相、着色力、遮盖力、耐热性、耐候耐光性、耐沸水性、毒性等等；而且由于一些颜料可能带有对树脂和固化剂起到促进作用的活性基团，所以也要考虑颜料对涂料反应速度、粘度的影响。为了提高粉末涂料的耐候性，颜料要选择耐光性在7-8级（8级*好），耐候性4-5级（5级*好）的品种，同时耐热性和耐沸水性要满足铝型材行业的使用要求。从表2可知，由颜料本身的性质决定，有机颜料的耐光性和耐候性有限，而无机颜料不够鲜艳，所以一些鲜艳颜色的粉末大多使用了耐光性和耐候性有限的有机鲜艳颜料，这就是鲜艳颜色的涂膜耐老化色差较大的主要原因。因此，为了保证鲜艳颜色涂膜的耐候性，除了选用耐候性能优异的其他材料，更加要注意颜料的选择。4.填料：填料的重要功能是添加到粉末涂料中以后，能够改进涂膜的硬度、刚性和耐划伤性等物理力学性能，同时有利于改进粉末涂料的贮存稳定性、松散性和带电等性能。[3]铝型材粉末涂料中*常用的填料为硫酸钡，经过对多个的硫酸钡进行耐老化检测，发现耐候性能无明显差别。因此，为了保证涂料的耐候性，必须使用纯度高的硫酸钡作为填料。硫酸钡进仓前必须经过检验，使用10%的盐酸溶液是*简单快捷的方法，可以快速检测出硫酸是否含有碳酸钙，碳酸钙会降低涂料的耐候性能，不能作为铝型材用粉末涂料的填料。5.助剂：在粉末涂料配方中，助剂的用量很少，但在一般粉末涂料配方组成中是不可缺少的成分，而且对涂膜的外观及某些性能起决定性作用。经过对各国内大型同类助剂进行加速老化对比试验后，发现不同的流平剂、光亮剂、安息香等对涂膜耐老化性能影响不大；而不同的蜡粉、消光剂对涂膜耐老化的影响较大。因此，为了提高粉末涂料的耐候性，可以考虑使用耐老化性能好的蜡粉和消光剂。二、配方结构：通过粉末涂料中聚酯树脂的酸值和固化剂羟基当量的计算，设计合适的固化剂用量，并通过加速老化试验的验证，使用*佳的固化剂用量，使涂料在固化时能够充分固化，从而达到*好的耐候性能。
在满足粉末涂料各项性能的前提下，尽量在配方中减少原材料的种类，特别是对涂膜耐候性起负作用的材料。在不影响涂膜遮盖力以及硬度、耐磨性的前提下，适当降低配方中的颜料（特别是吸油量大的颜料）和填料的用量，使配方中的颜料能够在熔融混炼过程充分被树脂包覆，在涂膜的使用过程中减少颜料的颜色变化，从而达到提高涂膜耐候性的目的。三、制作工艺：粉末涂料制作过程主要包括预混合、熔融挤出、压片破碎、分级粉碎四个阶段，其中预混合、熔融挤出两个工艺对粉末涂料的耐候性能有很大影响。预混合的作用是为了使粉末涂料配方中的各种原材料组成分散均匀，为熔融挤出打下良好的基础。为了提高耐候性，在预混合阶段，原材料必须按一定的先后顺序进行投料，而且投料量控制在混料缸容量的20%-80%，并适当延长混合时间。熔融挤出是为了使粉末涂料组成中的各种成分混合均匀，也就是达到粉末涂料成品中的每个粒子组成成分一样。为了提高耐候性，在熔融挤出阶段，在不出现胶化粒子的前提下，适当提高挤出机温度（特别是在气温较低的情况下），使树脂熔融成一种流体，保证颜料能有良好的润湿和获得*大的剪切力，有利于颜料等的高度分散，使各组分成为一个均匀的体系；在保证生产进度的同时，可以适当降低挤出速度，保证物料有充足的熔融混炼时间；从而提高混炼效果，使粉末涂料中的颜料填料被树脂充分包覆，而且各种原材料成分粒子分散均匀，特别是固化剂和树脂能按配方的比例混炼均匀，固化时涂膜能够充分固化，从而增加涂膜的表面致密性，*终提高粉末涂层的耐候性。四、固化条件：粉末涂料只有充分固化的情况下，树脂的高分子链才会和固化剂完全交联，各项物理化学性能才会达到*佳状态，耐候性能也不例外。因此，提高耐候性能必须使粉末涂料充分固化，固化时要控制好温度和时间。综上所述，对于提高铝型材用粉末涂料的耐候性，可参考如下思路：选用耐候性能好且流平不至于太差的树脂；注意鲜艳颜料、蜡粉、消光剂的选择；设计有利于提高涂膜耐候性的配方结构；控制好粉末涂料生产工艺。