陳啟峰

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039)

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鋁合金擠壓制品在線淬火熱處理工藝分析

陳啟峰

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039)

文章從擠壓制品的在線淬火工藝著手，分析了鋁擠壓材的熱處理強化工藝，論述了鋁制品在線淬火的優(yōu)點和實現(xiàn)在線淬火的基本條件；針對不同種類的合金，分析了其對應(yīng)的在線淬火冷卻裝置型式以及設(shè)計在線淬火裝置時需要注意的問題。

鋁合金擠壓制品；熱處理；在線淬火；離線淬火

鋁合金擠壓制品的在線淬火是利用擠壓余熱，在擠壓機前梁出口處對其實施快速冷卻，以達到熱處理強化的目的，可根據(jù)合金特性及不同制品對冷卻速度的不同要求選擇風(fēng)冷、水霧冷卻、噴水冷卻和水浴冷卻的冷卻方式。在擠壓機列上實現(xiàn)在線淬火，可以說是擠壓生產(chǎn)的一次重大革命。傳統(tǒng)鋁制品淬火是離線淬火方式，制品在立式淬火爐內(nèi)加熱至淬火溫度后，快速浸入水中冷卻以實現(xiàn)淬火，能耗高、效率低，且工序多、流程長，淬火制品的長度往往受立式淬火爐爐膛長度的限制而降低了綜合成品率。

1 擠壓制品在線淬火的優(yōu)點

⑴無需重新加熱，大大降低了產(chǎn)品的能耗，且不會因長時間加熱導(dǎo)致晶粒變大而出現(xiàn)粗晶環(huán)現(xiàn)象；

⑵簡化了生產(chǎn)工藝流程，在擠壓機列上連續(xù)完成淬火、矯直、成品鋸切等作業(yè)，減少中間制品的堆放場地，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率；

⑶沒有中間制品的吊運過程，制品長度不受吊運和淬火爐的限制，制品輸送過程受到很好的保護，減少了幾何廢料和工藝廢料的損失，提高了制品的表面質(zhì)量和成品率；

⑷在機列上連續(xù)完成作業(yè)，大大降低了工人的勞動強度，也為無人操作的全自動控制創(chuàng)造了必要的條件。

2 實現(xiàn)在線淬火的基本條件

鋁合金淬火時，通過快速冷卻把高溫時的固溶組織保留至室溫，形成室溫下的過飽和組織。通過自然時效或人工時效使過飽和組織中的強化相呈彌散狀析出，以達到強化的效果，特別是能夠顯著提高材料的抗拉強度。合金組織中具有強化相，且強化相在合金中的溶解度隨溫度有明顯變化的合金，才具有淬火強化的效果，即為可熱處理強化的合金。

在線淬火雖然有很多優(yōu)點，但由于受擠壓過程的限制，也存在較多弱點，不是所有可熱處理強化的合金都適用在線淬火并獲得理想的強化效果，只有符合下述條件的合金和制品才適合采用在線淬火方式來淬火。

2.1 合金的淬火溫度范圍寬

淬火的溫度范圍反映在該合金固相線與強化相固溶線(即強化相析出線)之間溫度范圍的寬窄上，即合金的淬火敏感性。溫度范圍寬，淬火敏感性低，反之淬火敏感性高。淬火敏感性低的合金適合在線淬火并能獲得滿意的強化效果；淬火敏感性高的合金在線淬火往往不能獲得滿意的強化效果，不適用在線淬火。

2.2 合金淬火時的冷卻速度

冷卻速度是指單位時間的溫度降低數(shù)值，淬火時的冷卻速度，是指從高溫冷卻能保持高溫組織而不析出強化相所需的溫降速度。不同合金對淬火冷卻速度的要求有很大差異，有些合金在冷卻過程中強化相不易析出，需要的冷卻速度可以很小，如6063合金，淬火時的冷卻速度只需≥1℃/s,而一些7xxx系合金要求的冷卻速度約300℃/s。淬火敏感性低的合金需要的淬火冷卻速度也低，反之需要較高的冷卻速度。

淬火的冷卻速度除了與合金特性有關(guān)外，還與制品的尺寸形狀有關(guān)。壁薄制品溫降速度快，所需冷卻速度低；壁厚制品由于芯部熱量不易散出，需要較高的冷卻速度。實心型材相對散熱面積大，需要的冷卻速度低，而空心型材相對散熱面積小，空腔內(nèi)的熱量不易散出，因而需要較高的冷卻速度。在線淬火裝置可滿足不同冷卻速度的要求，可設(shè)計出不同冷卻強度組合，但對于要求冷卻速度快尤其是大管、大棒工業(yè)型材不適合在線淬火。

2.2 合金淬火時的轉(zhuǎn)移時間

合金淬火時的轉(zhuǎn)移時間，對離線淬火是指制品離開加熱爐至完全進入水中的時間；對在線淬火，是指制品出模口至進入冷卻區(qū)的時間。這段時間內(nèi)制品裸露在大氣中，會產(chǎn)生一定的溫降，時間越長，溫降越大。轉(zhuǎn)移時間其實也是轉(zhuǎn)移速度的大小，更重要的是進入冷卻區(qū)的速度。如果進入冷卻區(qū)的速度小于金屬的傳熱速度，制品就會在進入冷卻區(qū)前因內(nèi)部金屬傳熱而導(dǎo)致較大的溫降，當溫度降至強化相析出溫度時，淬火冷卻前就已發(fā)生強化相的析出，因而會影響淬火的強化效果。

淬火敏感性高的合金，要求的淬火轉(zhuǎn)移時間也短。在線淬火制品的轉(zhuǎn)移時間和進入冷卻區(qū)的速度取決于擠壓速度，中小型擠壓機從模子出口至冷卻裝置的距離較小，轉(zhuǎn)移時間較短，但當擠壓速度較低時也很難滿足制品進入冷卻區(qū)的速度。大中型擠壓機模子出口至冷卻裝置的距離長，且擠壓速度也往往較低，很難滿足一些淬火敏感性高的合金對轉(zhuǎn)移時間的要求，只有淬火敏感性不高的合金才適合在線淬火處理。

3 鋁擠壓制品在線淬火實例

西北某鋁制品加工企業(yè)專門為軍工部門提供高品質(zhì)管棒型材產(chǎn)品。合金主要為5083-F、6063-T5、2A12-T4，規(guī)格為Φ80～Φ380mm×5.0～50.0mm的大管材；合金為2A12-T4、6061-T6、7A04-T4，規(guī)格為Φ30～180mm×4000～12000mm的擠制特大棒材；產(chǎn)品主要應(yīng)用于國防軍工、石油開采、海水淡化、電力輸變電等。其中2xxx系、7xxx系及部分6xxx系等可熱處理強化的硬鋁合金棒，由于其具有良好的加工性能和力學(xué)物理性能，主要用作內(nèi)燃機活塞及汽輪、飛機發(fā)動機葉片毛坯等。另外該企業(yè)還能生產(chǎn)部分10～150cm2×6000～30000mm，最大外接圓直徑450mm的車輛制造用扁寬型材。

該企業(yè)主要產(chǎn)品2xxx系、7xxx系及6xxx系淬火敏感性高的合金，要求淬火轉(zhuǎn)移時間短，其中石油輸送管直徑超過Φ300mm，壁厚一般都超過7.0mm，軍工用特大棒材直徑均超過Φ250mm，對淬火要求極高。生產(chǎn)初期出現(xiàn)的技術(shù)廢品，主要原因是制品擠出后通過在線淬火處理時，冷卻強度及轉(zhuǎn)移時間無法使制品芯部的彌散強化相完全析出，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的芯表質(zhì)量差異。

鑒于大規(guī)格管、棒材采用在線淬火不能達到生產(chǎn)工藝要求，該企業(yè)通過采用大型立式淬火爐離線淬火的方式解決這一問題。該立式淬火爐可淬火制品最大長度12m，工作溫度460～550℃，爐膛有效區(qū)內(nèi)金屬溫差≤±3℃，淬火轉(zhuǎn)移時間≤15s。

而對于車輛制造用扁寬型材，該企業(yè)配置了強力在線風(fēng)冷/水冷系統(tǒng)，其中冷風(fēng)系統(tǒng)上下冷卻風(fēng)機輸風(fēng)量為12000m3/h；水冷系統(tǒng)采用自循環(huán)裝置，設(shè)置有冷水池、熱水池、水槽中輥道、大功率循環(huán)水泵、過濾器和換熱器等，整個裝置有效淬火長度7.5m，上部、下部、側(cè)部輸水量均為80m3/h，總輸水量204 m3/h，能夠滿足絕大部分扁寬型材的淬火要求。

4 在線淬火冷卻裝置的型式及設(shè)計時需注意的問題

在線淬火的冷卻方式有風(fēng)冷、水霧冷卻、噴水冷卻和水溶冷卻，每種冷卻方式的冷卻強度均與其風(fēng)壓或水壓，風(fēng)量或水量有關(guān)。不同冷卻方式適用于不同的合金和制品。風(fēng)冷的冷卻強度一般在5℃/s以下，水霧冷卻的冷卻強度可達到50℃/s，噴水冷卻和水溶冷卻的冷卻強度可達100～200℃/s甚至更大。介質(zhì)的冷卻強度只表示其冷卻能力，不等同于制品的冷卻速度，制品的冷卻速度受自身等多種因素的影響。

在線淬火冷卻裝置的型式有風(fēng)冷式、水霧冷卻式、噴水冷卻式，風(fēng)、霧、水組合冷卻式以及水溶冷卻式。不同冷卻裝置型式適用于不同的合金和制品。

風(fēng)冷式，主要用于6063合金和制品，強力風(fēng)冷也可用于壁厚較薄的其他6xxx系合金制品。水霧冷卻式，主要用于壁厚較厚的6063合金、其他6xxx系合金、部分7xxx系合金的制品。噴水冷卻式，主要用于斷面較簡單，壁厚較厚的6xxx系、7xxx系合金的制品。風(fēng)、霧、水組合冷卻式，主要用于斷面較復(fù)雜的6xxx系和部分7xxx系合金的制品。水溶冷卻式，主要用于斷面較簡單，壁厚較厚的6xxx系和部分7xxx系合金的制品。

不同冷卻裝置型式的結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜程度相差較大，裝置的作用也相差很大，因此在選擇或設(shè)計時應(yīng)注意以下方面：

⑴根據(jù)處理的產(chǎn)品選擇合適的裝置型式

根據(jù)在線淬火的制品來選擇既實用又簡單的冷卻裝置。生產(chǎn)建筑門窗型材產(chǎn)品，可選擇一般風(fēng)冷裝置，生產(chǎn)建材幕墻型材產(chǎn)品，可選擇強力風(fēng)冷或水霧冷卻裝置，生產(chǎn)復(fù)雜斷面工業(yè)型材產(chǎn)品選擇風(fēng)、霧、水組合冷卻裝置；

⑵復(fù)雜斷面型材的冷卻強度需沿斷面可調(diào)

冷卻強度可調(diào)主要用于冷卻速度較高、制品斷面較復(fù)雜制品的冷卻。復(fù)雜斷面往往是非對稱和壁厚不一樣的斷面。由于斷面上各部分的金屬量不同，金屬量少的部分含熱量少而容易散熱降溫，其冷卻速度快；金屬量大的部分含熱量大而不易散熱降溫，其冷卻速度慢。斷面上各部分冷卻速度不同會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致變形，復(fù)雜斷面型材要盡量避免由于冷卻不均勻而導(dǎo)致的變形，因此，要求冷卻裝置沿斷面各部分的冷卻強度可以調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)壓力、風(fēng)量、水量或噴射角度等來調(diào)節(jié)冷卻速度；

⑶冷卻強度分段可調(diào)以減少高溫變形

制品在高溫下激冷時最容易產(chǎn)生變形，應(yīng)盡量避免在高溫區(qū)(450℃以上)產(chǎn)生激烈的冷卻，因此淬火裝置的冷卻強度要求能分段控制。開始冷卻段制品處于高溫區(qū)，此段冷卻強度既要滿足制品冷卻速度的要求，又要避免因冷卻速度過快而產(chǎn)生變形；中間段可增大冷卻強度，但此時制品仍處于較高溫度狀態(tài)，冷卻速度太高也容易產(chǎn)生變形，因此仍需要適當控制冷卻速度；出口段制品溫度已不太高，可采用最大冷卻速度使制品在冷卻裝置出口處的溫度降至150℃以下。

5 結(jié)束語

在線淬火是一種高效、節(jié)能的鋁型材生產(chǎn)技術(shù)，可縮短生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、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、冷卻速度和轉(zhuǎn)移時間等三個因素；針對不同合金，選擇不同的在線淬火裝置，才能使在線淬火獲得最好的熱處理強化效果。但在線淬火不是一種萬能的生產(chǎn)工藝，對于淬火敏感性高的大規(guī)格硬鋁合金管棒材，必須采用離線淬火的方式才能滿足產(chǎn)品需要。

[1] 梁世斌.工業(yè)鋁合金擠壓制品的在線淬火[J].輕合金加工技術(shù)，2006,(6):

Study of On-line Quenching Process for Aluminum Alloy Extrusions

CHEN Qifen

(Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang 471039, China)

Based on on-line quenching process, the paper presented heat treatment processes for hardening aluminum extrusions, it discussed the advantages of on-line quenching and general conditions for implementing on-line quenching; in light of different alloys, the paper analyzed various cooling systems correspondingly, and it pointed out the issues to be noted in the design of on-line quenching equipment.

aluminum alloy extrusions; heat treatment; on-line quenching; off-line quenching

2014-12-23

陳啟峰(1983-)，男，工程師，主要從事有色金屬加工板帶箔生產(chǎn)工藝及工廠設(shè)計工作。

TG166.3

A

1671-6795(2015)03-0036-03