在線熱處理技術(shù)在鋁擠壓中的運(yùn)用探討

郝先芃，鄒 超

（龍口市叢林鋁材有限公司技術(shù)部，山東 龍口 265705）

所謂“熱處理”，主要是指把金屬材料置于特定的介質(zhì)當(dāng)中，經(jīng)過加熱、保溫以及冷卻等過程，使得材料內(nèi)部或者表面的金相組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對其性能進(jìn)行控制的金屬熱加工技術(shù)。鋁擠壓在線熱處理技術(shù)是借助擠壓形成的余熱，在擠壓機(jī)前梁出口位置處對其進(jìn)行迅速冷卻，以實(shí)現(xiàn)熱處理強(qiáng)化的目標(biāo)?？梢园凑詹煌破穼τ诶鋮s速率要求的差異以及合金特性的差異，來選擇使用水浴冷卻、噴水冷卻、水霧冷卻以及風(fēng)冷等相應(yīng)的冷卻措施。

1 鋁合金熱處理概述

1.1 鋁合金熱處理的特征

所謂“鋁合金熱處理”，主要指的是選擇使用某種熱處理規(guī)范，調(diào)控加熱速率增長至某對應(yīng)溫度時(shí)保溫特定時(shí)間，再以事先設(shè)置好的速度進(jìn)行冷卻，從而使得合金組織發(fā)生變化，其根本目標(biāo)在于加強(qiáng)合金自身的力學(xué)性能、提高合金的耐腐蝕性、增強(qiáng)合金的加工性能、得到更加穩(wěn)定的尺寸。大家所熟知的是，針對碳元素占比較大的鋼材，通過淬火處理后即刻就可以得到較高的硬度，但是其塑性卻比較低。但是，鋁合金卻并非如此，鋁合金材料通過淬火處理以后，其硬度和強(qiáng)度并不會即刻增加，同時(shí)塑性不僅并非降低，反而有不同程度的提高。然而經(jīng)過此類淬火處理得到的合金，放置特定時(shí)間(比如4～6天)以后，其硬度與強(qiáng)度就會有比較明顯的提升，并且塑性會有較為顯著的下降。淬火處理后，鋁合金的硬度和強(qiáng)度隨著時(shí)間遷移而明顯提升的情況，被人們稱作“時(shí)效”；常溫環(huán)境下形成的時(shí)效為“自然時(shí)效”，非常溫環(huán)境下（如100℃～200℃）形成的時(shí)效為“人工時(shí)效”。

1.2 鋁合金擠壓在線熱處理的工作原理

鋁是十分活潑的，基本上可以和任何氣體產(chǎn)生反應(yīng)。除惰性氣體以外，鋁合金是否能夠準(zhǔn)確熔煉對于熔體質(zhì)量優(yōu)劣有著決定性的影響，金屬吸氣通常會導(dǎo)致鑄錠在凝固時(shí)無法及時(shí)完全排除。在鋁合金具體熔煉環(huán)節(jié)，爐料由于受熱而逐漸發(fā)生熔化，導(dǎo)致鑄錠內(nèi)部組織發(fā)生的缺陷在碰到反應(yīng)金屬后就無法再還原，獲得液態(tài)金屬。在該過程中，可以實(shí)現(xiàn)金屬氧化的目標(biāo)，或許會對金屬性能產(chǎn)生負(fù)面的影響。這時(shí)，遭受燒損破壞的金屬，則會導(dǎo)致合金的化學(xué)成分出現(xiàn)變化，而且還增加了氧化夾渣產(chǎn)生的幾率，對鋁合金鑄錠的運(yùn)用效果有極其嚴(yán)重的影響，同時(shí)在此過程中還會形成不同數(shù)量的氣孔[1]。在如此的機(jī)制干擾下，會對鋁合金鑄錠造成影響，導(dǎo)致其實(shí)踐過程中所需要的產(chǎn)品加工質(zhì)量無法得到保證。并且，由于鋁具備較好的活性，使其能夠在特定的熔煉溫度環(huán)境下與碳?xì)浠衔?、水等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)經(jīng)由對連續(xù)熔煉法的合理應(yīng)用，可以達(dá)到熔煉作業(yè)需求。在鋁合金熔煉過程中，為了防止產(chǎn)生鋁合金鑄錠廢品，確保產(chǎn)品的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)減少鋁合金熔煉作業(yè)時(shí)熔體所停留的時(shí)間，同時(shí)嚴(yán)格控制整個(gè)熔煉過程，將氣孔產(chǎn)生的幾率控制在最低水平。

2 在線熱處理技術(shù)在鋁擠壓中的運(yùn)用

2.1 退火處理

2.1.1 去應(yīng)力退火

對于塑性變形工件、切削加工件、焊接件以及鑄件等工件來說，其通常有著比較大的殘余內(nèi)應(yīng)力，此不但使得應(yīng)力有更加大的腐蝕性，而且還嚴(yán)重影響了機(jī)械性能與組織的穩(wěn)定性。所以，應(yīng)當(dāng)開展應(yīng)力退火處理，也就是把鋁合金材料加熱至某個(gè)相對較低的溫度，維持特定時(shí)間以后再慢慢冷卻，該過程的主要目標(biāo)是在升高溫度的過程中提高原子的活動能力，進(jìn)而消除或者是盡量減少晶體晶格當(dāng)中的部分缺陷，并且還可以使得晶格的扭曲能量有所下降。通過去應(yīng)力退火處理，能夠有效控制晶格的彈性畸變，降低內(nèi)應(yīng)力，不僅降低了腐蝕傾向、確保尺寸穩(wěn)定，而且還保證了其硬度及強(qiáng)度。

2.1.2 再結(jié)晶退火

所謂“再結(jié)晶退火”，也就是把鋁合金材料的溫度加熱超過再結(jié)晶溫度，維持特定時(shí)間以后再慢慢冷卻，其主要目標(biāo)在于細(xì)化晶粒、降低合金硬度、消除內(nèi)應(yīng)力、加強(qiáng)塑性形變能力[2]。為了能夠得到細(xì)晶粒組織，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制加熱速度、加熱溫度以及保溫時(shí)間。對于相同類型的合金而言，在加熱溫度比較高的條件下，需要適當(dāng)減少保溫時(shí)間，防止出現(xiàn)聚集再結(jié)晶現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致晶粒長大；在加熱溫度比較低的條件下，需要適當(dāng)增加保溫時(shí)間，由此保證再結(jié)晶的完全性，可以得到均勻、細(xì)小的組織。

2.1.3 均勻化退火

在鑄錠或者鑄件澆注過程中，如果冷卻速率比較快，就會造成結(jié)晶無法在平衡狀態(tài)下完成，如此通常會引起部分缺陷，比如：不平衡共晶體、偏析、硬脆相沿晶界分布以及第二相晶粒粗大等等，進(jìn)而會對合金的硬度、強(qiáng)度等性能產(chǎn)生較大的影響。所以，為了防止上述問題的出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)展開均勻化退火，也就是把合金加熱至與熔點(diǎn)無限接近的溫度，維持特定時(shí)間以后再慢慢冷卻。均勻化處理實(shí)際上就是原子不斷擴(kuò)散的過程，所以又被稱作“擴(kuò)散退火”，應(yīng)保證其質(zhì)量，主要就是控制好保溫時(shí)間以及加熱溫度。

2.2 固溶處理

鋁合金材料的固溶處理，事實(shí)上就是讓溶質(zhì)原子均勻地融入到鋁基體當(dāng)中，借此得到過飽和的固溶體，為后續(xù)的時(shí)效奠定基礎(chǔ)。如果淬火的溫度比較高，則其冷卻速度也是比較快的，也就會得到飽和度越大的合金，有益于合金在后續(xù)時(shí)效的沉淀析出，可以明顯增強(qiáng)合金的力學(xué)性能。但是，如果淬火的溫度過高，則就會導(dǎo)致鋁合金晶粒粗大，同時(shí)或許會出現(xiàn)過燒；如果淬火冷卻的速度過快，則會造成合金由于為均勻冷卻而出現(xiàn)撓曲形變。對于此，需要強(qiáng)化對鋁合TTP曲線當(dāng)中淬火敏感性區(qū)間的研究，如此有利于設(shè)計(jì)出高效的淬火工藝以及采取對應(yīng)的在線淬火手段以加強(qiáng)合金的性能。為了能夠達(dá)到有些鋁合金制品對于性能的獨(dú)特需求，對于淬火敏感性比較高的鋁合金制品還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行離線固溶處理。

2.3 淬火時(shí)效

淬火實(shí)際上就是盡量把鋁合金材料加熱到比較高的溫度（通常是在500℃～570℃范圍內(nèi)），同時(shí)在此溫度下維持比較長的時(shí)間，而后迅速將剛凝固的、依然處于高溫狀態(tài)的鋁鑄件直接淬入油或者水當(dāng)中，使得固溶體呈現(xiàn)為過飽和狀態(tài)，同時(shí)輔以人工時(shí)效，進(jìn)而確保固溶體可以得到最好的強(qiáng)化效果。正常情況下，固溶化處理時(shí)的溫度越高，其也就越會接近固相線溫度或者共晶轉(zhuǎn)變溫度，同樣會的獲得更加好的淬火效果。然而需引起注意的是，因?yàn)殍T件的冷卻速率過快，合金在非平衡狀態(tài)下結(jié)晶會產(chǎn)生非平衡的共晶體，所以，需要保證淬火的溫度小于熔點(diǎn)共晶的熔點(diǎn)。對于此問題，可以使用分級加溫的方法，初始溫度需要保證低于共晶溫度5℃～10℃，確保構(gòu)成共晶體的第二相可以高效溶入固溶體當(dāng)中，再不斷加熱到與固相線無限接近的溫度，加以短期保溫處理，盡量把余下的第二相溶入到固溶體當(dāng)中，如此不僅防止了“過燒”問題的發(fā)生，同時(shí)還可以得到較強(qiáng)的機(jī)械性能。除此以外，在固溶化處理過程中，強(qiáng)化相溶入固溶體所用的時(shí)間直接決定了保溫的時(shí)間。正常狀況下，鋁合金中強(qiáng)化相溶入到固溶體中的速率愈快，保溫時(shí)間也就愈少，例如較金屬型與薄壁鑄件而言，砂型與厚壁鑄件通常有更加久的保溫時(shí)間；鋁合金中的強(qiáng)化相通常會快速擴(kuò)散，則可對應(yīng)減少其保溫時(shí)間。

2.4 回歸再時(shí)效

回歸再時(shí)效，也可稱作“RRA處理”，其主要包含三個(gè)不同的過程：首先，在溫度比較低的條件下展開峰值時(shí)效；其次，在溫度較高的環(huán)境下實(shí)施短時(shí)回歸；最后，在溫度較低的環(huán)境下實(shí)施再時(shí)效。前兩步與雙極時(shí)效極其相似，增加第三步，根本目標(biāo)在于增強(qiáng)合金的強(qiáng)度，同時(shí)維持第二步的合金抗腐蝕性[3]。

3 在線熱處理技術(shù)在鋁擠壓中運(yùn)用的注意事項(xiàng)

第一，避免出現(xiàn)粗大晶粒。在鋁合金材料熱處理過程中，首先應(yīng)當(dāng)引起注意的就是粗大晶粒的問題。在對鋁合金進(jìn)行熱處理時(shí)，并未依據(jù)規(guī)定的操作流程，例如溫度過低或者過高、溫度掌控不到位等狀況的出現(xiàn)，再有淬火工作不合格等，均或許會造成粗大晶粒問題的產(chǎn)生。第二，防范“過燒”現(xiàn)象。鋁合金熱處理第二個(gè)要注意的事項(xiàng)就是“過燒”的問題，其通常指的是對于溫度的嚴(yán)格掌控。在對鋁合金進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格掌控鋁合金材料的熔點(diǎn)或者淬火溫度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化流程來操作，避免出現(xiàn)“過燒”問題，導(dǎo)致鋁合金材料的性能無法達(dá)到相應(yīng)的要求，進(jìn)而造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同樣在無形中加大了工作負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響了鋁合金加工的效率。所以，在鋁合金熱處理過程中必須要完成好“過燒”問題的防范工作。第三，重視規(guī)范性操作。規(guī)范性操作是鋁合金擠壓熱處理過程中最應(yīng)該引起重視的問題，由于鋁合金熱處理是極其繁雜、并且對精細(xì)程度有嚴(yán)格要求的過程。在鋁合金擠壓熱處理過程中，應(yīng)當(dāng)預(yù)先對重要步驟進(jìn)行“演習(xí)”，掌握好核心節(jié)點(diǎn)，例如性能、熔點(diǎn)以及時(shí)效等的把握，各相關(guān)操作過程的規(guī)范性對通過熱處理后得到的合金的性能有著決定性的影響。所以，在熱處理作業(yè)開始以前，必須要熟悉和掌握鋁合金自身的各項(xiàng)性能，完成好流程設(shè)計(jì)工作，完全根據(jù)制定好的流程來操作，實(shí)現(xiàn)全流程的嚴(yán)格把關(guān)。

4 結(jié)論

綜上所述，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們對于鋁合金材料的用途及要求同樣在不斷提高。得益于鋁材加工工藝的創(chuàng)新，進(jìn)而使鋁合金材料能夠廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中；尤其是神七成功升空以后，鋁合金材料備受航空、航天、通信、電子、汽車、航海以及建筑等行業(yè)的青睞。鋁擠壓在線熱處理技術(shù)的日益成熟，在很大程度上拓寬了鋁合金材料的應(yīng)用范疇，促使其可以運(yùn)用于各式各樣的環(huán)境下。