6061鋁合金厚板零件真空氣淬工藝研究

劉 超，王 朝，孫婭玲

(西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

真空氣淬零件在真空環(huán)境下加熱，不易被氧化，氣淬后工件的變形量小，可用于熱處理后需要精密加工的產(chǎn)品[1]。但是由于真空氣淬的冷卻介質(zhì)為純度99.99%的工業(yè)氮氣，其冷卻速度比水淬慢，淬火后硬度值難以達到水淬后的效果，所以導致厚板類6061鋁合金真空氣淬技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用不是很廣泛[2-3]。要保證厚板類6061鋁合金在真空氣淬后達到較高的硬度，并符合工藝要求，就要對真空氣淬過程進行研究，拓展思路，提高工件在氣淬過程中的冷卻速度[4]。下面介紹真空氣淬的主要工藝過程，并對人工時效參數(shù)、充氣壓力及工件擺放位置三個方面進行試驗研究，得出了6061鋁合金厚板零件的真空氣淬工藝方法和工藝參數(shù)；達到了厚板零件可以淬透的效果，解決了6061鋁合金厚板零件真空氣淬后硬度值低的問題。

1 厚板零件概況

文中研究的6061鋁合金厚板零件，完成了真空釬焊后進行淬火時效，零件外形尺寸為260×160×22，見圖1。要求淬火時效后零件洛氏硬度HR15T≥71，零件變形量<0.2 mm。

圖1 6061鋁合金厚板零件外形

2 真空氣淬主要工藝過程

選用的鋁合金真空氣淬爐，其真空度能達到6×10-3Pa以下，可減小工件高溫下的氧化，同時提高充氮氣后的冷卻速度。爐溫均勻性應(yīng)控制在±5 ℃以內(nèi)，以減小工件的熱量傳遞不均勻造成的淬火后硬度不均勻。設(shè)備自身帶有冷凝器，可對充入爐膛內(nèi)的氮氣進行循環(huán)降溫，加快工件的冷卻速度，保證在4 min之內(nèi)冷卻到100 ℃以下(氣淬冷卻曲線見圖2)。當爐內(nèi)溫度降至80 ℃以下時取出工件，立即對工件進行校正，以保證變形量不超過工藝要求。在淬火后2 h內(nèi)轉(zhuǎn)入人工時效，保溫后取出。主要工藝參數(shù)見表1所列。

表1 真空氣淬相關(guān)參數(shù)

圖2 真空氣淬冷卻曲線

3 試驗過程

3.1 人工時效工藝分析

參考以前類似零件的時效工藝[5]，初步確定了兩種時效參數(shù)，分別是200 ℃、保溫2 h和180 ℃、保溫10 h。氣淬時，每爐放置10件零件，擺放時，a面平行于爐底板放置，b面朝向爐膛兩側(cè)的出風口。充氮后爐內(nèi)壓力為0.4 MPa。共進行了20件淬火，淬火完后采用兩種工藝進行人工時效。時效后檢測硬度數(shù)據(jù)見表2和表3。表2為中人工時效200 ℃，保溫2 h，表3中人工時效180 ℃、保溫10 h。

表2 時效后檢測硬度數(shù)據(jù)1

表3 時效后檢測硬度數(shù)據(jù)2

由表2，表3可以看出180 ℃保溫10 h，零件硬度較200 ℃保溫2 h的硬度稍高，這是因為延長時效保溫時間，更有利于材料中的合金元素固溶在基體金屬中造成一定程度的晶格畸變，從而使合金強度提高。單純改變時效工藝，工件硬度仍不滿足HR15T≥71的工藝要求。

3.2 爐內(nèi)充氣壓力影響分析

第3爐試驗時將爐膛內(nèi)充氮氣后的壓力提高到0.45 MPa，零件擺放與前兩爐一致。仍然是a面平行于爐底板放置，b面朝向爐膛兩側(cè)的出風口。進行10件淬火試驗，淬火后選擇180 ℃，保溫10 h的時效工藝。時效后檢測硬度數(shù)據(jù)見表4。表4中人工時效180 ℃，保溫10 h。

表4 時效后檢測硬度數(shù)據(jù)3

提升爐內(nèi)充氣壓力可加快工件的冷卻速度。在淬火時，合金中會形成空位，通過提升冷卻速度，空位來不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)，冷卻速度越快，固溶體內(nèi)所“固定”的空位就越多，空位濃度越大，基材的淬透性越強，更有利于增加硬化區(qū)的數(shù)量，減小硬化區(qū)的尺寸，提高氣淬后的硬度。但從記錄的數(shù)據(jù)來分析，工件的硬度值仍在合格線上下徘徊，硬度不穩(wěn)定。

3.3 工件在爐內(nèi)擺放位置影響分析

在前面3次的真空氣淬試驗時，工件都以a面朝向爐底板平行放置，爐底板與工件直接接觸，接觸面積較大。由于爐底板的材料為1Cr18Ni9Ti，且重量大，導致其吸熱量大，在真空氣淬的整個過程中冷卻較慢，導致工件的冷卻速度較慢。真空氣淬爐的氮氣充氣口在爐膛兩側(cè)，如果a面朝向氮氣充入口就易導致工件發(fā)生變形，同時a面面積大，影響充氣口的氮氣流通，減小氮氣在工件之間的流通速度，影響工件的冷卻速度。

綜合以上分析，確定新的擺放位置，將零件直立放置。 c面朝向爐底板并與爐底板平行，b面朝向兩

側(cè)的氮氣充氣口，a面與氮氣流動方向平行。按此思路制作工件支架，保證工件與工件之間隔開，工件與爐底板隔離，放置平穩(wěn)，并錯位放置，目的是加快氮氣在工件之間流動速度，提高冷卻速度和冷卻效果。

第4次真空氣淬時，10件零件擺放在工件支架上，直立放置，提高冷卻效率。爐內(nèi)充氣壓力為0.45 MPa，淬火后選擇180 ℃，保溫10 h的時效工藝。時效后檢測硬度數(shù)據(jù)見表5，硬度值已完全符合工藝要求(HR15T≥71)。

表5 時效后檢測硬度數(shù)據(jù)4

4 結(jié) 語

通過從人工時效參數(shù)、爐內(nèi)充氣壓力、工件擺放位置三個方面進行改善，確定了6061厚板零件的真空淬火工藝為：零件放置在工件支架上，主要平面與氮氣流動方向平行，充氣后爐內(nèi)壓力為0.45 MPa，淬火后選擇180 ℃，保溫10 h的時效工藝?？梢员ＷC厚板零件真空氣淬后硬度HR15T≥71的要求。

文中的分析方法和經(jīng)驗技術(shù)及總結(jié)出的工藝措施，可對從事熱處理的工藝和操作人員提供一些思路和借鑒。