國內(nèi)鋁型材在線淬火技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀

周 楠，戚文軍，蔡 暢

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州510650

國內(nèi)鋁型材在線淬火技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀

周 楠，戚文軍，蔡 暢

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州510650

闡述了鋁合金的淬火敏感性和在線淬火工藝參數(shù)對鋁合金性能的影響，以及國內(nèi)鋁型材在線淬火裝備的研究現(xiàn)狀，并指出在線淬火技術(shù)與裝備今后的發(fā)展方向．

鋁型材；在線淬火；工藝參數(shù)；裝備

鋁合金型材在汽車、軌道交通、航空航天、船舶及國防軍工等領(lǐng)域中得到廣泛地應(yīng)用[1－3]．近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對高精度、高表面質(zhì)量、高機械性能的鋁型材，特別是一些形狀復(fù)雜的型材和大截面空心型材的需求量越來越大．淬火處理是鋁型材加工過程中重要的工序，傳統(tǒng)的鋁型材淬火工藝是采用離線淬火爐來實現(xiàn)淬火處理，這種工藝有能耗高及生產(chǎn)周期長等缺點，而在線淬火技術(shù)，即擠壓后直接水冷淬火，其充分利用了擠壓產(chǎn)生的余熱，有降低能耗、縮短工藝流程及提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點．但國內(nèi)多數(shù)鋁型材生產(chǎn)廠家沒有專用的在線淬火冷卻設(shè)備．因此，消化和吸收國外先進(jìn)的在線淬火技術(shù)，實現(xiàn)在線淬火，已成為許多工程技術(shù)人員研究的重要課題[4]．本文對鋁合金的淬火敏感性和在線淬火工藝參數(shù)對鋁合金在線淬火性能的影響，以及國內(nèi)鋁型材在線淬火裝備的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述．

1 鋁合金型材在線淬火技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1．1 鋁合金的淬火敏感性

要實現(xiàn)鋁型材在線淬火，就必須了解和掌握鋁合金在線淬火的特性，即淬火敏感性．材料的淬火敏感性是指對淬火冷卻速度的反應(yīng)性[5]．如果一種合金材料的淬火敏感性低，即表示采用低的淬火冷卻速度便可有效地阻止合金元素從固溶體中分解析出，形成過飽和固溶體．鋁合金的淬火敏感性可用等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線（TTT）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線（CCT）表征，TTT曲線和CCT曲線可給出一定工藝條件下的相轉(zhuǎn)變點和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是研究固態(tài)相變及制定熱處理加工工藝的基礎(chǔ)，是材料研究人員預(yù)測和控制合金組織性能的依據(jù)[6－7]．

當(dāng)前，我國鋁型材生產(chǎn)企業(yè)在熱處理方面的研究絕大部分停留在借用和摸索的階段，還沒有形成一套完整的工藝體系，缺乏基礎(chǔ)性研究，如很多企業(yè)在生產(chǎn)鋁合金擠壓型材時，通常是采用在線風(fēng)冷式淬火．對于淬火敏感性低、壁厚均勻、結(jié)構(gòu)簡單的6063和6060合金材料，采用風(fēng)冷式淬火基本上能滿足生產(chǎn)的需求，而對于淬火敏感性高、壁較厚、非對稱復(fù)雜斷面的型材，采用簡單的風(fēng)冷式淬火，往往造成淬火不充分及出現(xiàn)淬火后變形等問題．由于冷卻只能采用單一的冷卻方式，材料的力學(xué)性能往往只是滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求中的最低要求，其潛力得不到充分發(fā)揮．同時也無法根據(jù)材料的不同狀態(tài)，采用不同的冷卻強度來進(jìn)行合理的在線淬火處理．雖然有時材料的力學(xué)性能達(dá)到了用戶的要求，但是材料的抗腐蝕等其它性能卻因淬火不充分而達(dá)不到要求．

1．2 在線淬火工藝參數(shù)對鋁型材性能的影響

除了材料本身的性能外，在線淬火工藝參數(shù)對鋁型材性能也有顯著的影響，其中主要包括冷卻方式、冷卻速度及淬火延遲時間等[8]7－11．研究在線淬火工藝參數(shù)對型材性能的影響，對評價該合金是否適合給定的淬火冷卻裝置，以及制定合理的工藝參數(shù)具有重要的意義．

擠壓在線淬火的冷卻方式主要有水冷、風(fēng)冷和霧冷，其中水冷的冷卻強度較其它兩種冷卻方式的冷卻強度更大．對淬火敏感性較高的合金，如其型材較厚，為了獲得滿意的強度，需采用水淬，在水淬過程中可能會形成蒸氣薄層，造成型材局部的冷卻速度降低，從而導(dǎo)致制品扭曲，這種情況在靜止水槽淬火的條件下最容易出現(xiàn)．因此，最好采用涌流水來冷卻型材[8]12．即使如此，當(dāng)擠壓速度較高或型材各部位厚度差較大時，由于沿制品斷面的冷卻速度不均，水淬過程中也可能產(chǎn)生變形扭曲，扭曲變形在高溫區(qū)表現(xiàn)得最為敏感．由于上述原因，因而提出了漸進(jìn)式淬火工藝．該工藝是在淬火裝置的長度方向上設(shè)置幾個不同的控制區(qū)段，當(dāng)型材進(jìn)入淬火區(qū)時，初期采用相對緩慢的冷卻速度，而當(dāng)型材溫度有所下降時，采用較高以至更高的冷卻速度，還可通過對型材不同壁厚的部位進(jìn)行冷卻量調(diào)整，使得型材各部位的冷卻速度更加均勻[8]13．這種漸進(jìn)式淬火工藝，基本上可以解決快速冷卻與扭曲之間的矛盾．

擠壓后采用緩慢的淬火冷卻速度，會對某些Al－Mg－Si系合金的韌性產(chǎn)生不利的影響．如6060鋁合金，當(dāng)冷卻速度從4．5℃/s變化到200℃/s時，可使6060鋁合金的斷裂形式從90%沿晶斷裂變?yōu)?0%穿晶斷裂，同時V型缺口沖擊韌性值相應(yīng)地從18 J/cm2提高到27 J/cm2，這種脆性行為是由于擠壓成型溫度下緩慢冷卻，產(chǎn)生晶界區(qū)剝蝕所致[8]14．快速冷卻也會導(dǎo)致 Al－Zn－Mg系合金的應(yīng)力腐蝕破裂，如 Al－4．8Zn－1．2Mg合金和 Al－5．35Zn－1．25Mg合金的最大淬火速度均為5℃/s，這個淬火速度明顯低于7004鋁合金所推薦使用的最大淬火速度20℃/s．6系鋁合金的淬火冷卻速度及冷卻方式列于表1[8]14－15．

表1 6系鋁合金淬火冷卻速度及冷卻方式Table 1 Cooling rate and cooling mode of 6xxx series aluminum alloys

要成功地實現(xiàn)擠壓在線淬火，型材從模具出口至淬火區(qū)的轉(zhuǎn)移時間也很重要．事實上臨界轉(zhuǎn)移時間不是一個常數(shù)，除合金性質(zhì)外，它還與制品斷面厚度及形狀有關(guān)，制品的比表面積越大，或厚度越薄，所要求的臨界轉(zhuǎn)移時間越短．

沈健等人[9]利用正交模擬試驗，研究了在線淬火方式、淬火冷卻速度及淬火延遲時間對6005A鋁合金空心型材組織和性能的影響．結(jié)果表明：提高在線淬火冷卻強度，比提高擠壓溫度和擠壓速度對改善型材力學(xué)性能的效果更明顯，型材的強度隨淬火冷卻速度的增大明顯提高，而延伸率并無明顯降低；在線水霧淬火可使型材的力學(xué)性能滿足車輛型材使用的要求；縮短在線淬火前型材在室溫環(huán)境下的停留時間，可以顯著提高型材的強度．

王志偉等人[10]采用在線擠壓淬火正交實驗并通過透射電鏡分析，研究了擠壓溫度、擠壓速度及淬火方式對地鐵列車車體用6005A鋁合金力學(xué)性能的影響．結(jié)果表明：淬火方式對合金力學(xué)性能的影響最大，水淬可改善合金的力學(xué)性能；提高擠壓溫度和擠壓速度，也可在一定程度上改善合金的力學(xué)性能．透射電鏡分析結(jié)果表明，在線擠壓淬火工藝對合金力學(xué)性能的影響，實質(zhì)上與β′強化相的數(shù)量、大小和分布密切相關(guān)．

2 國內(nèi)在線淬火裝備的研究現(xiàn)狀

國外型材生產(chǎn)企業(yè)主要以生產(chǎn)工業(yè)型材為主，普遍采用水—風(fēng)聯(lián)合淬火裝置，對于淬火敏感性高的型材，該類裝置能提供足夠的冷卻強度，從而使型材具有所需的微觀組織與力學(xué)性能，同時又不發(fā)生變形．該類裝置一般分為三個冷卻區(qū)域：第一區(qū)域為聯(lián)合冷卻區(qū)，可選擇采用水冷、風(fēng)冷以及霧冷；第二、三區(qū)域均為單獨的風(fēng)冷區(qū)，只是風(fēng)冷區(qū)域設(shè)計的長度不同．

國內(nèi)鋁型材企業(yè)主要以生產(chǎn)建筑型材為主，工業(yè)型材所占的比重較少，由于建筑型材一般截面尺寸較小，在進(jìn)行在線淬火時只需風(fēng)冷即可實現(xiàn)冷卻．因此，國內(nèi)大多數(shù)鋁型材企業(yè)只是采用在型材出口處安裝風(fēng)機的方法，對型材進(jìn)行風(fēng)冷淬火．而對于截面尺寸較大的復(fù)雜型材，則采取安裝水槽的方法進(jìn)行水冷，雖然通過水槽進(jìn)行水冷能快速降低鋁型材的溫度，但是由于型材的截面形狀并不規(guī)則及型材各部位厚度相差較大，容易造成型材冷卻速度不均，導(dǎo)致型材內(nèi)部應(yīng)力分布不均，型材出現(xiàn)扭曲變形，這種變形在以后的矯直中很難消除，即使矯直清除了變形，制品的壁厚也很難達(dá)到要求．

近幾年，隨著我國鋁型材的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從建筑型材逐漸向工業(yè)型材轉(zhuǎn)型，很多鋁型材企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)而生產(chǎn)大型復(fù)雜截面型材，而現(xiàn)有的在線淬火設(shè)備無法滿足復(fù)雜斷面型材在線淬火的工藝需求．因此，吸收和消化國外先進(jìn)的在線淬火技術(shù)及裝備、自主研發(fā)多區(qū)段智能控制的在線淬火冷卻設(shè)備、大幅度提高擠壓鋁型材的綜合性能和快速擠壓型材的精度以及生產(chǎn)效率，成為很多鋁型材企業(yè)的重要任務(wù)．目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)通過消化、吸收國外先進(jìn)的在線淬火冷卻裝備，自主設(shè)計制造了在線淬火裝置．

太原重型機械（集團）有限公司設(shè)計研究院，為吉林遼源鋁型材廠生產(chǎn)的75MN型擠壓機配置了在線淬火裝置．該水冷裝置由上水蓋、下水槽和水源三大部分組成（圖1）[11]．該裝置對各個噴淋點的水量進(jìn)行了控制．首先根據(jù)制品的大小，用變頻器調(diào)整水泵電機轉(zhuǎn)速，確定上下兩臺水泵的流量，使它基本上滿足制品的水冷淬火所需水量要求．其次根據(jù)型材各部分的厚度差異，在臂路中分別裝有一個流量傳感器和一個比例流量控制閥，傳感器能隨時測量出管路中的水流量，并將此信號傳遞給過程控制器，從而控制水閥的開度，做到對水流量的控制．該裝置與PLC和上位機聯(lián)接，可記錄和存儲淬火數(shù)據(jù)，為優(yōu)化淬火工藝和方法提供可靠的依據(jù)．

圖1 遼源鋁型材廠在線淬火裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of on－line quenching equipment in Liaoyuan Aluminum Profile Factory

王朝水等人[12]介紹了巨化公司鋁廠的水槽式在線水淬裝置，其主要由水泵站和淬火水槽兩部分組成（圖2）．淬火水槽由水槽、進(jìn)水裝置和四臺鼓風(fēng)機組成，水槽采用鋼板焊接而成，靠近兩端300 mm處分別設(shè)兩道裝石墨板的滑槽，在滑槽內(nèi)插入石墨板，石墨板上開鑿與制品斷面相似的型孔．兩道石墨板將水槽分隔成三間盒式箱體，中間為水淬槽，兩端為排水槽，當(dāng)啟動水淬裝置的水泵，冷卻水很快注滿水淬槽將制品完全浸沒，多余的水通過型孔與制品間隙或從石墨板上方溢流進(jìn)入排水槽，這樣淬火冷卻水不斷補充進(jìn)入水淬槽，淬火后的熱水又不斷排出進(jìn)入排水槽，并通過回水管進(jìn)入水箱，從而得到循環(huán)使用．為避免冷卻水通過運動的擠壓制品或溢流飛濺帶出淬火水槽，在擠壓制品于水槽進(jìn)出口兩端上、下方各設(shè)兩臺鼓風(fēng)機，將水吹回到排水槽，以改善現(xiàn)場工作環(huán)境．對于大截面制品而言，采用水槽式水淬裝置，冷卻強度高，完全能夠滿足合金對冷卻強度的要求．

籍淑珍[13]介紹了東北輕合金有限責(zé)任公司的鋁合金擠壓型材在線淬火設(shè)備（圖3）．該設(shè)備可實現(xiàn)大規(guī)格、幾何形狀復(fù)雜的鋁型材擠壓在線淬火．噴水系統(tǒng)由上下兩部分組成，下部為積水箱，用于收集噴出的水，內(nèi)裝側(cè)噴水管及下噴水管，上部由油缸驅(qū)動可升降的罩式水蓋，水罩內(nèi)裝有噴水管，當(dāng)水蓋下降到位后與下部結(jié)合成一個封閉水洞．在噴水系統(tǒng)的擠壓型材出口處，裝有一臺渦流風(fēng)機，從頂部直吹型材，防止型材將水帶出．

圖2 水槽式水淬裝置示意圖Fig．2 Schematic diagram of flume quenching equipment

圖3 噴水系統(tǒng)斷面圖Fig．3 Sectional diagram of sprinkler system

此外，廣東興發(fā)集團有限公司、叢林鋁業(yè)公司、福建閩發(fā)集團等企業(yè)均為部分大型擠壓機配備了在線淬火裝置，并對鋁合金在線淬火技術(shù)進(jìn)行了探索[14－19]．

3 結(jié) 語

（1）鋁合金型材在線淬火技術(shù)是一種節(jié)能高效的鋁型材生產(chǎn)技術(shù)，其可簡化工藝流程、提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期及降低生產(chǎn)成本．然而，當(dāng)前我國絕大部分鋁型材生產(chǎn)企業(yè)在熱處理技術(shù)方面仍停留在借用和摸索的階段，沒有形成一套完整的工藝體系，存在的主要問題是基礎(chǔ)性研究缺乏．

（2）在合金方面，6063，6061，6082，6005，7003和7005等合金是目前我國產(chǎn)量較大、應(yīng)用較廣的可實現(xiàn)在線淬火的鋁合金，對這幾種合金進(jìn)行淬火敏感性研究，建立合金的TTT和CCT曲線，研究工藝參數(shù)的變化對不同合金淬火敏感性的影響，制定出保證淬透性的工藝規(guī)范參數(shù)，為鋁型材在線淬火冷卻參數(shù)的制定和設(shè)備的設(shè)計提供理論依據(jù)．

（3）在淬火裝備方面，可實現(xiàn)多區(qū)段、多種冷卻方式相結(jié)合，具有智能控制系統(tǒng)的鋁合金型材在線淬火裝備，將是今后在線淬火裝備的發(fā)展方向．

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Research status of on－line quenching technology and equipment of aluminum alloy profiles in China

ZHOU Nan，QI Wenjun，CAI Chang
Guangdong General Research Institute of Industrial Technology （Guangzhou Research Institute of Non－Ferrous Metals），Guangzhou 510650，China

The effects of quench sensitivity and on－line quenching parameters on the properties of aluminum alloys and the research status of domestic on－line quenching technology and equipment of aluminum alloy profile are reviewed．The development trend of on－line quenching technology and equipment is also introduced．

aluminum alloy profile；on－line quenching；quenching process；equipment

TG166．3

A

1673－9981（2011）03－0186－05

2010－10－14

周楠（1982—），男，山東濟南人，助理工程師，碩士．