■ 聞冬冬

固溶體脫溶是可熱處理強化鋁合金進行強化熱處理（淬火和時效）的基礎(chǔ)，輥底式淬火爐主要用于2×××、6×××、7×××等航空工業(yè)鋁合金中厚板的熱處理。淬火是生產(chǎn)航空用鋁合金中厚板的關(guān)鍵熱處理操作，其目的是為了得到高濃度的過飽和固溶體，給自然時效和人工時效創(chuàng)造必要的條件。

1. 國內(nèi)輥底式淬火爐生產(chǎn)線情況

傳統(tǒng)的鋁合金中厚板的淬火工藝主要通過鹽浴爐來進行，從鹽浴爐到淬火水槽之間用橋式起重機進行轉(zhuǎn)移，淬火轉(zhuǎn)移時間較長，這種淬火工藝使鋁合金晶間腐蝕加重，且在后續(xù)加工中變形大，性能不穩(wěn)定，實現(xiàn)這一熱處理工藝過程所采用的設(shè)備是先進的固溶熱處理及噴淋式淬火輥底爐。國外艾伯納、容克、EFR公司開發(fā)出熱風(fēng)循環(huán)輥底式固溶熱處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的鹽浴爐相比，輥底爐具有爐溫均勻度高、淬火轉(zhuǎn)移時間短、淬火冷卻更均勻速率更快等特點。輥底式淬火爐生產(chǎn)線由4部分組成：上料輥道臺；輥底爐加熱爐區(qū)；高/低壓淬火區(qū)；下料輥道。圖1所示為輥底式淬火爐生產(chǎn)線布置。

由于輥底式淬火爐和人工多級時效爐設(shè)備是根據(jù)金屬組織性能和工藝要求、國際航天航空AMS等標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計制造的，因而制造精度、運行精度和控制精度高，國內(nèi)在研制輥底爐方面起步較晚，技術(shù)水平低于國外廠家，近幾年國內(nèi)實力雄厚的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)均從國外引進輥底式爐用于鋁合金航空用中厚板的生產(chǎn)（見附表）。

圖1 輥底式淬火爐生產(chǎn)線布置

2. 設(shè)備關(guān)鍵工藝技術(shù)

（1）加熱段爐溫均勻度 艾伯納公司的輥底爐每個加熱段的爐頂和爐底各安裝了一臺循環(huán)風(fēng)扇，在爐內(nèi)的鋁板被垂直于板材表面的高速熱氣流從上下兩個方向加熱至工藝要求設(shè)定的溫度。爐內(nèi)的空氣由輻流式風(fēng)扇驅(qū)動進行循環(huán)，每個風(fēng)扇區(qū)域都分成4個控制組，兩個在左邊，兩個在右邊，這樣可實現(xiàn)最佳的溫度分布，由此將整個工作空間內(nèi)的溫度差降到最小，保證了爐內(nèi)溫度分布的均勻性，這也是實現(xiàn)整個爐料均勻加熱的基本要求。如圖2所示。

（2）淬火轉(zhuǎn)移時間 板材轉(zhuǎn)移時間“爐門打開”包括出口門廊內(nèi)的板材加速到淬火速度的時間，是爐門打開到板材前端碰到淬火冷卻介質(zhì)的時間，板材轉(zhuǎn)移時間“爐外”是板材前端碰到淬火冷卻介質(zhì)前在爐外所花費的時間。延長淬火轉(zhuǎn)移時間將導(dǎo)致淬火冷卻速度減慢，對材料的性能影響很大。因為板材在轉(zhuǎn)移到淬火段過程中與冷空氣接觸，相當(dāng)于在空氣中冷卻。由于冷卻速度慢，而鋁合金特別是硬鋁和超硬鋁的力學(xué)性能及耐蝕性對冷卻速度十分敏感，固溶體的分解會降低時效強化效果，從而使產(chǎn)品力學(xué)性能和耐蝕性下降，為了防止過飽和固溶體發(fā)生局部的分解和析出，使淬火和時效效果降低，應(yīng)當(dāng)盡量縮短淬火轉(zhuǎn)移時間，特別是在360～400℃的溫度敏感區(qū)必須快冷。有些廠家為了減小淬火轉(zhuǎn)移時產(chǎn)生的溫度降，在加熱段進入冷卻段的區(qū)域內(nèi)設(shè)計一道燒嘴，這樣可產(chǎn)生一道由加熱空氣形成的風(fēng)墻，避免板材出現(xiàn)早期冷卻現(xiàn)象。厚板轉(zhuǎn)移時間一般控制在15s以內(nèi)，轉(zhuǎn)移時間越短，材料綜合性能越好。

（3）淬火區(qū)設(shè)計 根據(jù)鋁合金時間-溫度-轉(zhuǎn)換率等溫轉(zhuǎn)變圖，鋁合金等溫轉(zhuǎn)變圖鼻尖溫度約350℃，淬火敏感溫度區(qū)間為210～420℃，為了保證合金獲得高硬度，淬火時必須快速冷卻通過敏感溫度區(qū)間，而在高溫或低溫區(qū)間的冷卻速率可以適當(dāng)減小，這樣不但可以保證合金有高的硬度，還能在一定程度上降低殘余應(yīng)力。因此，輥底爐淬火段一般設(shè)置組合式高壓、低壓兩個淬火區(qū)。高壓淬火區(qū)水泵壓力一般采用5×105Pa，噴嘴排布與爐子中心線呈85°角，噴水呈橢圓形，這樣水流能更有效沖破水膜，快速帶走熱量，確保實現(xiàn)200～250mm厚板心部實現(xiàn)快速淬透，滿足淬火轉(zhuǎn)移時間小于15s（航空AMS標(biāo)準(zhǔn)）的要求。例如典型的50mm厚板材，固溶處理溫度538℃，板材離開高壓淬火段時，表面溫度250℃，內(nèi)部溫度400℃。同樣的板材離開低壓淬火段，最終冷卻前表面溫度100℃，內(nèi)部溫度150℃。

國內(nèi)已投產(chǎn)輥底爐生產(chǎn)線

圖2 艾伯納爐內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流系統(tǒng)

3. 結(jié)語

輥底爐是生產(chǎn)航空鋁合金中厚板的關(guān)鍵設(shè)備，國外廠家在加熱區(qū)爐溫均勻度、控溫精度、淬火區(qū)快速均勻降溫等方面已掌握成熟的技術(shù)，如采用爐門加熱方法以提高爐溫均勻度，高低壓淬火區(qū)采用不同類型噴嘴等。希望國內(nèi)廠商可以加大輥底爐設(shè)計、制造領(lǐng)域的研發(fā)力度與投入，早日實現(xiàn)輥底爐國產(chǎn)化。

[1] 李志剛.輥底式淬火爐在鋁合金中厚板在生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].有色金屬加工，2015（1）.

[2] 曹盛強，余鳳智.艾伯納、容克與法鋁輥底式淬火爐的比較分析[J].熱處理技術(shù)與裝備，2014（8）.

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