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        6082鋁合金棒材固溶處理工藝改進(jìn)

        2022-07-07 11:21:18孫菁孺王力顥孫宏強(qiáng)
        鋁加工 2022年3期
        關(guān)鍵詞:棒材表面質(zhì)量水槽

        劉 迪,孫菁孺,王力顥,孫宏強(qiáng),趙 芳

        (1.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼陽(yáng) 111003;2.遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院,大連 116000)

        0 前言

        近年來(lái),隨著技術(shù)的發(fā)展,鋁合金有逐漸取代鋼鐵部件的趨勢(shì)。Al-Mg-Si合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、易于成形和耐腐蝕性好、表面著色性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、軌道交通、造船及建筑建材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中,6082鋁合金因具有中等強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性成為汽車承重結(jié)構(gòu)件、汽車底盤控制臂等結(jié)構(gòu)件的理想材料[3-4]。但在實(shí)際生產(chǎn)中6082大米重棒材通常存在在線生產(chǎn)困難、力學(xué)性能低等問(wèn)題,離線淬火不僅增加生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本,也增加了能源損耗,降低了生產(chǎn)效率。為了解決?200 mm以上擠壓棒材在線淬火硬度不均的問(wèn)題,節(jié)省成本,縮短生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率,本文對(duì)6082鋁合金擠壓棒材固溶處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        針對(duì)棒材表面粗糙問(wèn)題,選用兩種成分的優(yōu)質(zhì)6082鋁合金鑄錠,其成分見(jiàn)表1。對(duì)兩種鑄錠進(jìn)行擠壓,生產(chǎn)的棒材直徑為210 mm、米重92.132 kg/m。

        表1 6082合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

        1.2 生產(chǎn)工藝流程

        擠壓生產(chǎn)流程如圖1所示。由于離線淬火工序較多,且淬火前需要運(yùn)輸,導(dǎo)致生產(chǎn)耗時(shí)延長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證可知,采用在線淬火工藝每噸成品可節(jié)省生產(chǎn)周期12 h,運(yùn)輸及淬火成本也可節(jié)省,所以本試驗(yàn)選用在線淬火。

        圖1 生產(chǎn)流程圖

        6082合金中的強(qiáng)化相Mg2Si含量較高,應(yīng)適當(dāng)提高鑄錠溫度,但溫度過(guò)高擠壓后棒材表面易出現(xiàn)扒皮缺陷,導(dǎo)致擠壓速度降低,影響生產(chǎn)效率。因此,鑄錠加熱應(yīng)控制在510~530℃之間。

        為了使6082合金完全固溶,一般將擠壓出料口溫度控制在510~540℃之間。由于6082合金中Si含量較高,提高擠壓速度易產(chǎn)生扒皮和表面粗糙現(xiàn)象,所以擠壓速度選擇在1.8~2.5 m/min之間,這樣既保證了出料表面質(zhì)量,又可保證出料口溫度。

        通過(guò)對(duì)采用水冷與水冷加風(fēng)管兩種淬火方式得到的棒材的表面質(zhì)量、硬度、力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比,確定最佳在線淬火方法及合金成分,具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。將擠壓后的棒材進(jìn)行(175±5)℃×10 h時(shí)效處理,時(shí)效處理過(guò)程中保證成品料間隔,避免料與料接觸部分的時(shí)效效果不好,導(dǎo)致棒材硬度不均勻。

        表2 實(shí)驗(yàn)方案

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 表面質(zhì)量

        對(duì)上述4種方案擠壓生產(chǎn)后的棒材表面質(zhì)量進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2所示,其表面粗糙度數(shù)值見(jiàn)表3。由此可知,采用方案1、方案3得到的棒材表面粗糙度高,采用方案2、方案4得到的棒材表面優(yōu)質(zhì)。對(duì)比兩種成分,1#鑄錠成分中Mg含量比2#鑄錠高30%,Mn含量低28.5%,得到的棒材表面均粗糙,達(dá)不到客戶要求,因此不選1#成分做為最佳生產(chǎn)方案。

        圖2 不同方案生產(chǎn)的棒材表面質(zhì)量

        表3 不同方案生產(chǎn)的棒材表面粗糙度

        這是因?yàn)楫?dāng)ω(Mg)/ω(Si)>1.73∶1,有過(guò)剩Mg存在,過(guò)剩Mg影響了Mg2Si在α(Al)中的固溶度[5],造成強(qiáng)化相從鋁基體中析出,析出的Mg2Si易長(zhǎng)大粗化[6],導(dǎo)致擠壓棒材表面粗糙。

        Mn能細(xì)化再結(jié)晶晶粒,擴(kuò)大淬火溫度上限,增大合金元素的固溶度,因而能提高合金的力學(xué)性能,改善抗蝕性、沖擊韌性和彎曲性能,并能減少Fe的有害影響和阻礙再結(jié)晶。但Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過(guò)大,否則Mn在過(guò)飽和固溶體內(nèi)有嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析,影響合金的再結(jié)晶過(guò)程[7]。Mn含量過(guò)高會(huì)影響合金的鑄造性能,隨著Mn含量的增加,鑄造時(shí)金屬熔體的黏度增大,流動(dòng)性下降[8]。因此,若合金中Mn含量過(guò)高,擠壓過(guò)程易產(chǎn)生拉毛及機(jī)械紋缺陷等問(wèn)題。

        2.2 硬度

        對(duì)4種方案得到的擠壓棒材進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4。由表可知,方案1和方案2采用穿水淬火方式,棒材在線淬火后進(jìn)入水槽內(nèi),淬火前溫度高,導(dǎo)致棒材進(jìn)入水槽時(shí)產(chǎn)生氣泡,將棒材與水隔絕,使得棒材淬火不均勻。方案3和方案4采用加強(qiáng)淬火,水槽底部加風(fēng)管,增加水循環(huán),防止擠壓棒材因淬火溫度高所產(chǎn)生的氣泡駐留在棒材表面,進(jìn)而影響淬火效果。方案1和方案2使用傳統(tǒng)淬火方式,由于淬火不均勻,導(dǎo)致時(shí)效后有硬度差。而方案3和方案4由于加強(qiáng)了淬火,并通過(guò)使用專用擋板,水槽底部加風(fēng)管、增加底部水的流動(dòng)交換等手段,將淬火時(shí)產(chǎn)生的氣泡帶走,有效防止了淬火不均,故而時(shí)效前后的硬度均合格。

        表4 不同方案生產(chǎn)前后的棒材硬度

        方案1和方案2的棒材在時(shí)效后硬度不均勻,未達(dá)到6082合金時(shí)效后的理想硬度。由于擠壓棒材米重較大,因此將棒材時(shí)效制度改為180℃×8 h,時(shí)效處理后的硬度見(jiàn)表5。通過(guò)對(duì)比可知175℃×10 h獲得的硬度數(shù)據(jù)明顯低于180℃×8 h。

        表5 調(diào)整時(shí)效制度后棒材硬度對(duì)比

        2.3 力學(xué)性能

        對(duì)經(jīng)180℃×8 h時(shí)效處理后的1#、2#成分棒材進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表6。對(duì)比2種成分合金力學(xué)性能可知,1#、2#成分的力學(xué)性能均能滿足要求,但1#成分棒材表面質(zhì)量不能滿足需求,因此不考慮1#成分。綜合考慮到擠壓棒材表面質(zhì)量及性能情況,選用方案4的合金成分、工藝參數(shù)、淬火方式以及180℃×8 h時(shí)效制度,可以實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量好、性能優(yōu)越的棒材在線生產(chǎn)。

        表6 棒材力學(xué)性能對(duì)比

        鋁合金淬火在水中冷卻分為3個(gè)階段,第一階段為膜狀沸騰階段,淬火過(guò)程中其表面形成一層不均勻過(guò)熱蒸汽薄膜,其導(dǎo)熱性不佳,使制品的冷卻速度降低;第二階段為氣泡沸騰階段,當(dāng)蒸汽薄膜破壞時(shí),靠近金屬表面的液體產(chǎn)生劇烈的沸騰,發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換;第三階段為熱量對(duì)流階段,冷卻水在制品左右擺動(dòng)或上下移動(dòng),增加制品表面與水產(chǎn)生對(duì)流的熱交換,進(jìn)而提高冷卻速度[9]。

        對(duì)于常規(guī)水冷淬火方式,當(dāng)擠壓棒材進(jìn)入水槽時(shí),在棒材表面形成細(xì)小氣泡阻隔水與棒材接觸,不僅降低淬火強(qiáng)度,而且易在棒材表面形成氧化膜,影響表面質(zhì)量。而采用水冷加風(fēng)管淬火方式,使水槽內(nèi)部水翻滾式流動(dòng),帶走棒材表面細(xì)小的氣泡,防止產(chǎn)生表面氧化膜,提高了冷卻效率,使棒材淬火很快突破第一階段,保證淬火制品冷卻均勻。

        3 結(jié)論

        (1)采用水冷加風(fēng)管淬火方式,使水槽內(nèi)部水翻滾式流動(dòng),帶走棒材表面細(xì)小的氣泡,不僅加強(qiáng)了淬火效果,還起到防止棒材表面氧化膜產(chǎn)生的作用。

        (2)采用水冷加風(fēng)管淬火方式,通過(guò)使用專用擋板、水槽底部加風(fēng)管、增加底部水流動(dòng)交換等手段,將淬火時(shí)產(chǎn)生的氣泡帶走,有效防止了淬火不均,使時(shí)效前后的硬度均合格。

        (3)選用方案4的合金成分、工藝參數(shù)、淬火方式以及180℃×8 h時(shí)效制度,可以實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量好、性能優(yōu)越的棒材在線生產(chǎn)。

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