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      6061鋁合金瓶體固溶處理時冷卻過程分析及工藝優(yōu)化

      2018-05-25 01:01:41謝洪波
      現(xiàn)代冶金 2018年2期
      關鍵詞:瓶體

      謝洪波

      (上海氦格復合材料科技有限公司,上海 201315)

      6061鋁合金瓶體固溶處理時冷卻過程分析及工藝優(yōu)化

      謝洪波

      (上海氦格復合材料科技有限公司,上海 201315)

      摘要:以6061鋁合金復合氣瓶內(nèi)膽的固溶處理為例,分析其冷卻過程,指導優(yōu)化固溶處理工藝,并對瓶體的物理檢測提出建議。

      關鍵詞:Al-Mg-Si合金;瓶體;固溶處理;冷卻方式

      引 言

      固溶時效處理是提高6061鋁合金強度的有效手段。目前對6061鋁合金板材和擠壓棒材的固溶時效工藝研究較多,通常也是通過參考相關的研究成果來制定6061鋁合金內(nèi)膽的固溶時效工藝。

      但是鋁合金瓶體具有壁薄口小中空結(jié)構(gòu),固溶處理時冷卻過程不同于鋁合金板材,直接引用板材的固溶工藝往往達不到理想的結(jié)果。

      本文以6061鋁合金復合氣瓶內(nèi)膽的固溶處理為例,分析其冷卻過程,指導優(yōu)化固溶處理工藝。

      1 鋁合金內(nèi)膽的制造工藝過程

      內(nèi)膽的外形如圖1所示。內(nèi)膽由6061鋁合金板材通過塑性加工而成,加工成型工藝過程為:鋁板→剪圓→瓶坯拉伸→退火→瓶坯成型→齊口→收口(含銑孔)→固溶處理→時效處理→螺紋加工。

      瓶體肩部和底部為半橢球體,肩部和底部的壁厚約為筒體壁厚的2倍。

      圖1 氣瓶內(nèi)膽示意圖

      2 固溶處理原理及常用工藝

      鋁合金中的合金元素溶于鋁形成以鋁為基的固溶體α(Al),它們的溶解度隨溫度升高而增大。將鋁合金加熱至較高的溫度,保溫后迅速冷卻,可獲得過飽和固溶體,這種操作稱之為固溶處理,也稱為淬火。

      固溶處理的加熱及保溫過程,目的在于使強化相充分溶解于固溶體中和使固溶體均勻化。冷卻過程目的在于獲得過飽和固溶體,改善鋁合金的韌性和塑性,并為隨后的時效處理提供組織準備。時效過程就是脫溶沉淀過程,從過飽和固溶體中析出包括GP區(qū)在內(nèi)的各種過渡相或平衡的次生相,產(chǎn)生沉淀強化,可使鋁合金的強度和硬度大幅度提高。

      有人以直徑為16 mm的6061鋁合金擠壓棒材為研究對象,得出適宜的固溶-時效制度為535 ℃,50 min固溶,水淬,180 ℃,6 h時效[1]。有人以4 mm厚鋁合金板材為研究對象,得出最佳固溶工藝為565 ℃,40 min[2]。

      3 鋁合金瓶體固溶處理時的冷卻過程分析

      常用的鋁合金立式固溶爐,加熱爐置于上部,爐門安裝在爐底,爐門下部為淬火槽。

      固溶處理加熱和冷卻時,瓶體瓶口朝下垂直放置在不銹鋼制作的料框內(nèi)。根據(jù)固溶爐、淬火槽以及瓶體的大小,料框可以考慮單層或多層裝料。

      瓶口朝下垂直裝框,出于以下考慮:

      (1)固溶后,瓶內(nèi)冷卻水可以自動流出;

      (2)瓶體沿對稱軸(縱軸)方向垂直入水,同一橫截面圓周產(chǎn)生的應力趨于均勻;

      (3)瓶體沿對稱軸(縱軸)方向垂直入水,同一橫截面圓周冷卻條件相同,軸向?qū)ΨQ面的性能相近。

      板材固溶處理時一般也是垂直入水,但是瓶體具有壁薄口小中空的結(jié)構(gòu)特征,其入水冷卻過程有明顯不同于板材的特點。

      板材是大平面實心結(jié)構(gòu),冷卻時熱量幾乎全部通過材料兩個外表面散失。瓶體是中空結(jié)構(gòu),入水冷卻時瓶內(nèi)有高溫氣體,瓶口開孔小(固溶時瓶口未加工螺紋),一般小于Φ16 mm,而且入水時瓶內(nèi)氣壓只是略小于瓶口水面壓強,故冷卻水進入瓶內(nèi)速度較慢。瓶體及瓶內(nèi)高溫氣體的熱量在冷卻開始時主要是通過壁厚從瓶體的外表面散失。

      固溶冷卻時,板材及瓶體的散熱示意圖如圖2所示。

      圖2 板材及瓶體散熱示意圖

      冷卻時,隨著瓶內(nèi)氣體溫度降低,為保持氣壓穩(wěn)定時氣體體積會減小,以及隨著冷卻時間增長,由瓶口進入瓶內(nèi)的冷卻水會增加。但是,即使冷卻到室溫,瓶內(nèi)仍會存在很多氣體,冷卻水并不能灌滿瓶內(nèi)腔。

      下面估算瓶內(nèi)空氣體積占瓶體容積的比例:

      設瓶體容積為V0,固溶溫度為540 ℃。入水前瓶內(nèi)氣壓P0可視為1個大氣壓,氣體的絕對溫度T0為(540+273)K。在水槽內(nèi)冷卻到30 ℃,此時瓶內(nèi)氣體的絕對溫度T1為(30+273)K,體積為V1,氣壓P1等于1個大氣壓加上水深產(chǎn)生的壓力。

      因為 1個大氣壓等于10.3 m水柱高,設瓶內(nèi)水面深1 m,P1則等于1.1個大氣壓。

      根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

      PV/T=常量

      P1V1/T1=P0V0/T0

      計算可得,V1/V0=34%。

      由此可見,瓶體冷卻中,隨溫度降低,瓶內(nèi)氣體體積減少至V1,最后仍約為瓶體容積的34%,聚集在內(nèi)腔底部??梢哉J為瓶體下半部很多內(nèi)壁在冷卻過程中沒有沾碰到冷卻水。

      由于瓶體內(nèi)存在高溫氣體以及氣體的導熱性能遠低于金屬材料和水,而且一方面冷卻水不容易通過瓶口進入瓶內(nèi),另一方面進入瓶內(nèi)的冷卻水升溫后又難以通過瓶口流出進行熱交換。在同樣的冷卻條件下,瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。

      由于瓶體頸部和肩部先垂直入水,又瓶體肩部通過瓶口可以逐步進入冷卻水,瓶體底部內(nèi)腔始終保持有氣體空間,一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

      4 鋁合金瓶體固溶處理工藝的優(yōu)化

      鑒于瓶體固溶處理冷卻過程存在以上特點,為達到固溶處理效果,減弱瓶體冷卻速度較低的不利影響,需要考慮優(yōu)化固溶處理工藝。

      4.1 固溶溫度

      合金固溶溫度越高,在淬火過程中固定下來的固溶體晶格中空位的濃度越大,則固溶體的分解速度及硬化效果都將增大[3]。

      一般固溶溫度越高,能使強化相更大限度溶入固溶體,但溫度過高會引起晶粒粗大,甚至發(fā)生過燒。

      圖3 Al-Mg-Si三元相圖

      6061材料屬Al-Mg-Si系合金,相圖如圖3所示[3]。在Al-Mg-Si三元系中,Mg2Si為穩(wěn)定化合物,與鋁構(gòu)成偽二元系。α(Al)-Mg2Si之間偽二元相圖如圖4所示[3],Mg2Si在α(Al)中的固溶度隨溫度下降有明顯變化,共晶溫度為595 ℃。此外,在圖3中當Si含量較高或存在Si偏析時,會出現(xiàn)α(Al)+Mg2Si+Si三元共晶系,共晶溫度為558 ℃。

      圖4 Al-Mg2Si偽二元相圖

      為防止低溶點共晶體在加熱時熔化(即出現(xiàn)過燒)以及晶粒過分長大,6061鋁合金的固溶溫度不是越高越好,一般采用540~545 ℃。

      固溶溫度530 ℃以下,固溶不充分;固溶溫度550 ℃以上,晶粒易粗大,晶粒度達1~3級;固溶溫度560 ℃以上,容易出現(xiàn)過燒。

      4.2 淬火轉(zhuǎn)移時間

      工件從加熱爐至淬火槽中所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)移時間應盡量減少,轉(zhuǎn)移時間過長,過飽和固溶體將在轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生分解。

      一般規(guī)定,鋁合金厚度小于4 mm時,淬火轉(zhuǎn)移時間不得超過30 s,當成批工件同時淬火的數(shù)量增多時,轉(zhuǎn)移時間可增長[4]。

      實際工作中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)移時間控制30 s,瓶體固溶效果并不滿意,應該縮短轉(zhuǎn)移時間。采用鋁合金立式固熔爐,可以控制轉(zhuǎn)移時間為10 s。

      4.3 水溫控制

      6061鋁合金最常用的淬火介質(zhì)是水。水的淬火冷卻特性與水溫有關,冷卻速度隨水溫升高而降低。水溫過低,工件在淬火時產(chǎn)生較大的內(nèi)應力,易導致變形或開裂。故在實際生產(chǎn)中冷卻水的溫度一般保持在10~35 ℃。

      冷卻能力對水溫的變化很敏感??刂评鋮s水的初始溫度容易實現(xiàn),但熱工件浸入水中,水溫會瞬時升高。為了保持水溫:一是淬火槽要有足夠的容量,一般應為瓶體總?cè)莘e的10倍以上,還要考慮料框的體積和散熱。如果淬火槽容量不夠大,應減少裝爐量;二是淬火槽應有冷卻水循環(huán)和攪拌裝置。一方面,用泵不停地以一定流量從槽體下部抽進冷水,讓熱水從水槽上部的管道流出,促使淬火槽內(nèi)水的流動和更換;另一方面,通過攪拌裝置增加水的流動速度,控制水的流動方向,使淬火槽內(nèi)水溫均勻,有效提高水的冷卻能力,改善淬火效果。三是冷卻過程中應時常上下抖動料框,不僅可以促使槽內(nèi)水的流動和熱交換,更重要的作用是可使瓶內(nèi)氣體逸出和瓶內(nèi)熱水流出,改善瓶壁的冷卻條件。

      高溫瓶體入水,水會被汽化而在瓶體表面形成蒸汽膜,蒸汽膜的導熱性較差,使冷卻速度降低。水的循環(huán)流動和料框的抖動,也可以促進蒸汽膜的提早破裂,提高冷卻能力。

      淬火槽如果安裝有溫度顯示裝置,更有利于實時了解水溫,更能保證有效控制水溫。

      實踐表明,水溫初始溫度15~30 ℃,淬火后水槽溫度不超過35 ℃時,6061鋁合金瓶體淬火效果較好。

      4.4 冷卻時間

      當瓶體溫度冷卻到50 ℃以下,就可以將料框吊離水槽,這時瓶體上水分有冒熱氣,基本能自行揮發(fā)干,而瓶體又不至于燙手。

      瓶體壁厚很小,一般只有幾毫米,對冷卻時間影響不大。冷卻時間主要取決于冷卻速度,冷卻速度大,則冷卻時間小。但要說明的是,當冷卻速度低于臨界值,即使長時間增加冷卻時間,也不能提高淬火效果。

      在8 m3的淬火槽中,一次裝框100只容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體,固溶冷卻時間一般為3~4 min,視情況可以適當延長。雖然瓶壁較薄,但瓶體內(nèi)的高溫氣體冷卻速度慢,瓶體淬火冷卻時間應大于同厚度的板材。

      冷卻時間不夠,造成瓶體余溫高,固溶效果不佳;冷卻時間過長,沒有實際意義。

      5 固溶工藝優(yōu)化前后之性能比較

      以設計壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金內(nèi)膽的固溶時效為例。初始工藝和改進工藝如表1所示。

      表1 初始工藝和改進工藝對比

      按初始工藝處理和改進工藝處理,瓶體力學性能分別如表2,3所示。

      表2 瓶體力學性能(初始工藝)

      表3 瓶體力學性能(改進工藝)

      從表2和表3的數(shù)據(jù)看,改進工藝后強度有明顯提高,塑性沒有降低。

      要注意的是,熱處理后的力學性能是固溶溫度、保溫時間、轉(zhuǎn)移速度、水溫、淬火方式、冷卻時間等多種因素共同作用的結(jié)果,審視和優(yōu)化熱處理工藝時應考慮各因素的影響。

      6 鋁合金瓶體的物理檢測

      鋁合金瓶體的物理檢測包括力學性能測試(硬度、Rm,Rp0.2,A)和金相檢查(過燒)。

      瓶體只有在固溶并時效處理后才能獲得最佳的力學性能,故在瓶體固溶后就測試力學性能沒有意義,應在時效完成后進行。前面已分析過,在實際使用時筒體是瓶體的薄弱部位,固溶時效后應在筒體上測試力學性能。

      由于瓶肩先入水冷卻,而且瓶體內(nèi)腔存在高溫氣體,容易造成瓶肩的冷卻速度大、瓶底的冷卻速度小,致使瓶體的上、中、下部位的性能存在差距,當淬火槽內(nèi)水的流動性差時,這種性能差距更明顯。一般筒體上部(近肩部)硬度高、下部(近底部)硬度低,從而上部的強度高、塑性小,下部的強度低、塑性大。

      6.1 力學性能測試

      鋁合金瓶體壁薄中空硬度低,選擇合適的硬度測試方法很關鍵,既要保證測量結(jié)果準確,還要瓶體外形尺寸受壓不變、壓痕小、效率高。一般常選用HV1,HV5,HBW1/10,HRB或表面洛氏硬度。里氏硬度雖然操作簡單、壓痕小、效率高,但不適用,測量誤差很大。

      硬度應在筒體的上、中、下3個部位檢測。如果硬度壓痕很明顯,應打磨,并保證瓶體的最小壁厚。

      拉伸試樣(測強度Rm,Rp0.2和斷后伸長率A)應在筒體的中部沿縱向取樣,尺寸要符合相關標準規(guī)定,以保證測量數(shù)據(jù)的可比較性。

      6.2 金相檢查

      金相要檢查的組織過燒情況,一般取決于原始組織、固溶溫度和固溶保溫時間,與冷卻過程和時效過程無關。

      考慮到瓶體熱旋收口時也容易因加熱溫度高而生產(chǎn)過燒,金相取樣一般在瓶肩靠近瓶頸處取樣。如果要確定過燒是由于固溶溫度過高或保溫時間過長造成,則應在筒體取樣。

      還有可能因為溫度儀表故障或者熱處理爐內(nèi)局部實際溫度偏高造成過燒,并不是固溶工藝不合理造成的。因此發(fā)現(xiàn)過燒,要從熱加工過程、固溶工藝、熱處理設備等多方面分析原因,找出真正的原因,不要一味來調(diào)整固溶工藝。

      7 結(jié) 論

      (1)由于瓶體存在口小中空結(jié)構(gòu),淬火時在同樣的冷卻條件下,瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。由于瓶體頸部和肩部先垂直入水,又瓶體底部內(nèi)腔始終保持有氣體空間,一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

      (2)考慮到瓶體冷卻過程中的特點,可以通過調(diào)整固溶溫度、轉(zhuǎn)移時間、水溫、冷卻時間來優(yōu)化固溶工藝。設計壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體,推薦固溶溫度540~545 ℃、保溫70 min、轉(zhuǎn)移時間10 s 、水溫15~30 ℃、冷卻時間3~4 min。

      (3)對固溶時效后瓶體進行物理檢測時,由于筒體各部位冷卻速度差距,致使瓶體的上、中、下部位的性能也可能存在差距。此外,熱加工過程、固溶工藝、熱處理設備等都有可能造成過燒,要多方面進行原因分析。

      參考文獻:

      [1] 項勝前,周春榮,郭加林,等.固溶-時效對6061鋁合金擠壓棒材組織和性能的影響[J].輕合金加工技術,2011,39(4):31—35.

      [2] 李慎蘭,黃志其,蔣福利,等.固溶溫度對6061鋁合金組織和性能的影響[J].材料熱處理學報,2013,34(5):131—135.

      [3] 張寶昌.有色金屬及其熱處理[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1993.

      [4] 中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊[M]. 第四版.北京:機械工業(yè)出版社,2008.

      收稿日期:2018-01-26

      作者簡介:謝洪波(1971—),男,工程師。電話:15852662030;E-mail:jxxhbydx@sina.com

      中圖分類號:TG146.21;TG156.92

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