陳啟峰

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 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(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 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(qiáng)化工藝，論述了鋁制品在線淬火的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)在線淬火的基本條件；針對(duì)不同種類的合金，分析了其對(duì)應(yīng)的在線淬火冷卻裝置型式以及設(shè)計(jì)在線淬火裝置時(shí)需要注意的問(wèn)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(jī)前梁出口處對(duì)其實(shí)施快速冷卻，以達(dá)到熱處理強(qiáng)化的目的，可根據(jù)合金特性及不同制品對(duì)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(jī)列上實(shí)現(xiàn)在線淬火，可以說(shuō)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(shí)現(xiàn)淬火，能耗高、效率低，且工序多、流程長(zhǎng)，淬火制品的長(zhǎng)度往往受立式淬火爐爐膛長(zhǎng)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(diǎn)

⑴無(wú)需重新加熱，大大降低了產(chǎn)品的能耗，且不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間加熱導(dǎo)致晶粒變大而出現(xiàn)粗晶環(huán)現(xiàn)象；

⑵簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程，在擠壓機(jī)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(chǎng)地，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率；

⑶沒(méi)有中間制品的吊運(yùn)過(guò)程，制品長(zhǎng)度不受吊運(yùn)和淬火爐的限制，制品輸送過(guò)程受到很好的保護(hù)，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(jī)列上連續(xù)完成作業(yè)，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也為無(wú)人操作的全自動(dòng)控制創(chuàng)造了必要的條件。

2 實(shí)現(xiàn)在線淬火的基本條件

鋁合金淬火時(shí)，通過(guò)快速冷卻把高溫時(shí)的固溶組織保留至室溫，形成室溫下的過(guò)飽和組織。通過(guò)自然時(shí)效或人工時(shí)效使過(guò)飽和組織中的強(qiáng)化相呈彌散狀析出，以達(dá)到強(qiáng)化的效果，特別是能夠顯著提高材料的抗拉強(qiáng)度。合金組織中具有強(qiáng)化相，且強(qiáng)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(qiáng)化的效果，即為可熱處理強(qiáng)化的合金。

在線淬火雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于受擠壓過(guò)程的限制，也存在較多弱點(diǎn)，不是所有可熱處理強(qiáng)化的合金都適用在線淬火并獲得理想的強(qiáng)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(lái)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(qiáng)化相固溶線(即強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化效果，不適用在線淬火。

2.2 合金淬火時(shí)的冷卻速度

冷卻速度是指單位時(shí)間的溫度降低數(shù)值，淬火時(shí)的冷卻速度，是指從高溫冷卻能保持高溫組織而不析出強(qiáng)化相所需的溫降速度。不同合金對(duì)淬火冷卻速度的要求有很大差異，有些合金在冷卻過(guò)程中強(qiáng)化相不易析出，需要的冷卻速度可以很小，如6063合金，淬火時(shí)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(shí)心型材相對(duì)散熱面積大，需要的冷卻速度低，而空心型材相對(duì)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(jì)出不同冷卻強(qiáng)度組合，但對(duì)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(shí)的轉(zhuǎn)移時(shí)間

合金淬火時(shí)的轉(zhuǎn)移時(shí)間，對(duì)離線淬火是指制品離開(kāi)加熱爐至完全進(jìn)入水中的時(shí)間；對(duì)在線淬火，是指制品出?？谥吝M(jìn)入冷卻區(qū)的時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)制品裸露在大氣中，會(huì)產(chǎn)生一定的溫降，時(shí)間越長(zhǎng)，溫降越大。轉(zhuǎn)移時(shí)間其實(shí)也是轉(zhuǎn)移速度的大小，更重要的是進(jìn)入冷卻區(qū)的速度。如果進(jìn)入冷卻區(qū)的速度小于金屬的傳熱速度，制品就會(huì)在進(jìn)入冷卻區(qū)前因內(nèi)部金屬傳熱而導(dǎo)致較大的溫降，當(dāng)溫度降至強(qiáng)化相析出溫度時(shí)，淬火冷卻前就已發(fā)生強(qiáng)化相的析出，因而會(huì)影響淬火的強(qiáng)化效果。

淬火敏感性高的合金，要求的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間也短。在線淬火制品的轉(zhuǎn)移時(shí)間和進(jìn)入冷卻區(qū)的速度取決于擠壓速度，中小型擠壓機(jī)從模子出口至冷卻裝置的距離較小，轉(zhuǎn)移時(shí)間較短，但當(dāng)擠壓速度較低時(shí)也很難滿足制品進(jìn)入冷卻區(qū)的速度。大中型擠壓機(jī)模子出口至冷卻裝置的距離長(zhǎng)，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(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)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(shí)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(guó)防軍工、石油開(kāi)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(qiáng)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(jī)活塞及汽輪、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間短，其中石油輸送管直徑超過(guò)Φ300mm，壁厚一般都超過(guò)7.0mm，軍工用特大棒材直徑均超過(guò)Φ250mm，對(duì)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(guò)在線淬火處理時(shí)，冷卻強(qiáng)度及轉(zhuǎn)移時(shí)間無(wú)法使制品芯部的彌散強(qiáng)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(dá)到生產(chǎn)工藝要求，該企業(yè)通過(guò)采用大型立式淬火爐離線淬火的方式解決這一問(wèn)題。該立式淬火爐可淬火制品最大長(zhǎng)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(shí)間≤15s。

而對(duì)于車輛制造用扁寬型材，該企業(yè)配置了強(qiáng)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(jī)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(guò)濾器和換熱器等，整個(gè)裝置有效淬火長(zhǎng)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(jì)時(shí)需注意的問(wèn)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(qiáng)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(qiáng)度一般在5℃/s以下，水霧冷卻的冷卻強(qiáng)度可達(dá)到50℃/s，噴水冷卻和水溶冷卻的冷卻強(qiáng)度可達(dá)100～200℃/s甚至更大。介質(zhì)的冷卻強(qiáng)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(qiáng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jì)時(shí)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(lái)選擇既實(shí)用又簡(jiǎn)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(qiáng)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(qiáng)度需沿?cái)嗝婵烧{(diào)

冷卻強(qiáng)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(duì)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(huì)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?cái)嗝娓鞑糠值睦鋮s強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力、風(fēng)量、水量或噴射角度等來(lái)調(diào)節(jié)冷卻速度；

⑶冷卻強(qiáng)度分段可調(diào)以減少高溫變形

制品在高溫下激冷時(shí)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(qiáng)度要求能分段控制。開(kāi)始冷卻段制品處于高溫區(qū)，此段冷卻強(qiáng)度既要滿足制品冷卻速度的要求，又要避免因冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生變形；中間段可增大冷卻強(qiáng)度，但此時(shí)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(dāng)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(yǔ)

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(shí)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(shí)間等三個(gè)因素；針對(duì)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(qiáng)化效果。但在線淬火不是一種萬(wàn)能的生產(chǎn)工藝，對(duì)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(jì)工作。

TG166.3

A

1671-6795(2015)03-0036-03