铝合金挤压制品在线淬火热处理工艺分析

陈启峰

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039)



铝合金挤压制品在线淬火热处理工艺分析

陈启峰

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039)

文章从挤压制品的在线淬火工艺着手，分析了铝挤压材的热处理强化工艺，论述了铝制品在线淬火的优点和实现在线淬火的基本条件；针对不同种类的合金，分析了其对应的在线淬火冷却装置型式以及设计在线淬火装置时需要注意的问题。

铝合金挤压制品；热处理；在线淬火；离线淬火

铝合金挤压制品的在线淬火是利用挤压余热，在挤压机前梁出口处对其实施快速冷却，以达到热处理强化的目的，可根据合金特性及不同制品对冷却速度的不同要求选择风冷、水雾冷却、喷水冷却和水浴冷却的冷却方式。在挤压机列上实现在线淬火，可以说是挤压生产的一次重大革命。传统铝制品淬火是离线淬火方式，制品在立式淬火炉内加热至淬火温度后，快速浸入水中冷却以实现淬火，能耗高、效率低，且工序多、流程长，淬火制品的长度往往受立式淬火炉炉膛长度的限制而降低了综合成品率。

1 挤压制品在线淬火的优点

⑴无需重新加热，大大降低了产品的能耗，且不会因长时间加热导致晶粒变大而出现粗晶环现象；

⑵简化了生产工艺流程，在挤压机列上连续完成淬火、矫直、成品锯切等作业，减少中间制品的堆放场地，大大缩短了生产周期，提高了生产效率；

⑶没有中间制品的吊运过程，制品长度不受吊运和淬火炉的限制，制品输送过程受到很好的保护，减少了几何废料和工艺废料的损失，提高了制品的表面质量和成品率；

⑷在机列上连续完成作业，大大降低了工人的劳动强度，也为无人操作的全自动控制创造了必要的条件。

2 实现在线淬火的基本条件

铝合金淬火时，通过快速冷却把高温时的固溶组织保留至室温，形成室温下的过饱和组织。通过自然时效或人工时效使过饱和组织中的强化相呈弥散状析出，以达到强化的效果，特别是能够显著提高材料的抗拉强度。合金组织中具有强化相，且强化相在合金中的溶解度随温度有明显变化的合金，才具有淬火强化的效果，即为可热处理强化的合金。

在线淬火虽然有很多优点，但由于受挤压过程的限制，也存在较多弱点，不是所有可热处理强化的合金都适用在线淬火并获得理想的强化效果，只有符合下述条件的合金和制品才适合采用在线淬火方式来淬火。

2.1 合金的淬火温度范围宽

淬火的温度范围反映在该合金固相线与强化相固溶线(即强化相析出线)之间温度范围的宽窄上，即合金的淬火敏感性。温度范围宽，淬火敏感性低，反之淬火敏感性高。淬火敏感性低的合金适合在线淬火并能获得满意的强化效果；淬火敏感性高的合金在线淬火往往不能获得满意的强化效果，不适用在线淬火。

2.2 合金淬火时的冷却速度

冷却速度是指单位时间的温度降低数值，淬火时的冷却速度，是指从高温冷却能保持高温组织而不析出强化相所需的温降速度。不同合金对淬火冷却速度的要求有很大差异，有些合金在冷却过程中强化相不易析出，需要的冷却速度可以很小，如6063合金，淬火时的冷却速度只需≥1℃/s,而一些7xxx系合金要求的冷却速度约300℃/s。淬火敏感性低的合金需要的淬火冷却速度也低，反之需要较高的冷却速度。

淬火的冷却速度除了与合金特性有关外，还与制品的尺寸形状有关。壁薄制品温降速度快，所需冷却速度低；壁厚制品由于芯部热量不易散出，需要较高的冷却速度。实心型材相对散热面积大，需要的冷却速度低，而空心型材相对散热面积小，空腔内的热量不易散出，因而需要较高的冷却速度。在线淬火装置可满足不同冷却速度的要求，可设计出不同冷却强度组合，但对于要求冷却速度快尤其是大管、大棒工业型材不适合在线淬火。

2.2 合金淬火时的转移时间

合金淬火时的转移时间，对离线淬火是指制品离开加热炉至完全进入水中的时间；对在线淬火，是指制品出模口至进入冷却区的时间。这段时间内制品裸露在大气中，会产生一定的温降，时间越长，温降越大。转移时间其实也是转移速度的大小，更重要的是进入冷却区的速度。如果进入冷却区的速度小于金属的传热速度，制品就会在进入冷却区前因内部金属传热而导致较大的温降，当温度降至强化相析出温度时，淬火冷却前就已发生强化相的析出，因而会影响淬火的强化效果。

淬火敏感性高的合金，要求的淬火转移时间也短。在线淬火制品的转移时间和进入冷却区的速度取决于挤压速度，中小型挤压机从模子出口至冷却装置的距离较小，转移时间较短，但当挤压速度较低时也很难满足制品进入冷却区的速度。大中型挤压机模子出口至冷却装置的距离长，且挤压速度也往往较低，很难满足一些淬火敏感性高的合金对转移时间的要求，只有淬火敏感性不高的合金才适合在线淬火处理。

3 铝挤压制品在线淬火实例

西北某铝制品加工企业专门为军工部门提供高品质管棒型材产品。合金主要为5083-F、6063-T5、2A12-T4，规格为Φ80～Φ380mm×5.0～50.0mm的大管材；合金为2A12-T4、6061-T6、7A04-T4，规格为Φ30～180mm×4000～12000mm的挤制特大棒材；产品主要应用于国防军工、石油开采、海水淡化、电力输变电等。其中2xxx系、7xxx系及部分6xxx系等可热处理强化的硬铝合金棒，由于其具有良好的加工性能和力学物理性能，主要用作内燃机活塞及汽轮、飞机发动机叶片毛坯等。另外该企业还能生产部分10～150cm2×6000～30000mm，最大外接圆直径450mm的车辆制造用扁宽型材。

该企业主要产品2xxx系、7xxx系及6xxx系淬火敏感性高的合金，要求淬火转移时间短，其中石油输送管直径超过Φ300mm，壁厚一般都超过7.0mm，军工用特大棒材直径均超过Φ250mm，对淬火要求极高。生产初期出现的技术废品，主要原因是制品挤出后通过在线淬火处理时，冷却强度及转移时间无法使制品芯部的弥散强化相完全析出，导致出现明显的芯表质量差异。

鉴于大规格管、棒材采用在线淬火不能达到生产工艺要求，该企业通过采用大型立式淬火炉离线淬火的方式解决这一问题。该立式淬火炉可淬火制品最大长度12m，工作温度460～550℃，炉膛有效区内金属温差≤±3℃，淬火转移时间≤15s。

而对于车辆制造用扁宽型材，该企业配置了强力在线风冷/水冷系统，其中冷风系统上下冷却风机输风量为12000m3/h；水冷系统采用自循环装置，设置有冷水池、热水池、水槽中辊道、大功率循环水泵、过滤器和换热器等，整个装置有效淬火长度7.5m，上部、下部、侧部输水量均为80m3/h，总输水量204 m3/h，能够满足绝大部分扁宽型材的淬火要求。

4 在线淬火冷却装置的型式及设计时需注意的问题

在线淬火的冷却方式有风冷、水雾冷却、喷水冷却和水溶冷却，每种冷却方式的冷却强度均与其风压或水压，风量或水量有关。不同冷却方式适用于不同的合金和制品。风冷的冷却强度一般在5℃/s以下，水雾冷却的冷却强度可达到50℃/s，喷水冷却和水溶冷却的冷却强度可达100～200℃/s甚至更大。介质的冷却强度只表示其冷却能力，不等同于制品的冷却速度，制品的冷却速度受自身等多种因素的影响。

在线淬火冷却装置的型式有风冷式、水雾冷却式、喷水冷却式，风、雾、水组合冷却式以及水溶冷却式。不同冷却装置型式适用于不同的合金和制品。

风冷式，主要用于6063合金和制品，强力风冷也可用于壁厚较薄的其他6xxx系合金制品。水雾冷却式，主要用于壁厚较厚的6063合金、其他6xxx系合金、部分7xxx系合金的制品。喷水冷却式，主要用于断面较简单，壁厚较厚的6xxx系、7xxx系合金的制品。风、雾、水组合冷却式，主要用于断面较复杂的6xxx系和部分7xxx系合金的制品。水溶冷却式，主要用于断面较简单，壁厚较厚的6xxx系和部分7xxx系合金的制品。

不同冷却装置型式的结构和控制的复杂程度相差较大，装置的作用也相差很大，因此在选择或设计时应注意以下方面：

⑴根据处理的产品选择合适的装置型式

根据在线淬火的制品来选择既实用又简单的冷却装置。生产建筑门窗型材产品，可选择一般风冷装置，生产建材幕墙型材产品，可选择强力风冷或水雾冷却装置，生产复杂断面工业型材产品选择风、雾、水组合冷却装置；

⑵复杂断面型材的冷却强度需沿断面可调

冷却强度可调主要用于冷却速度较高、制品断面较复杂制品的冷却。复杂断面往往是非对称和壁厚不一样的断面。由于断面上各部分的金属量不同，金属量少的部分含热量少而容易散热降温，其冷却速度快；金属量大的部分含热量大而不易散热降温，其冷却速度慢。断面上各部分冷却速度不同会产生内应力而导致变形，复杂断面型材要尽量避免由于冷却不均匀而导致的变形，因此，要求冷却装置沿断面各部分的冷却强度可以调节，通过调节压力、风量、水量或喷射角度等来调节冷却速度；

⑶冷却强度分段可调以减少高温变形

制品在高温下激冷时最容易产生变形，应尽量避免在高温区(450℃以上)产生激烈的冷却，因此淬火装置的冷却强度要求能分段控制。开始冷却段制品处于高温区，此段冷却强度既要满足制品冷却速度的要求，又要避免因冷却速度过快而产生变形；中间段可增大冷却强度，但此时制品仍处于较高温度状态，冷却速度太高也容易产生变形，因此仍需要适当控制冷却速度；出口段制品温度已不太高，可采用最大冷却速度使制品在冷却装置出口处的温度降至150℃以下。

5 结束语

在线淬火是一种高效、节能的铝型材生产技术，可缩短生产流程、提高生产效率、降低生产成本。实现在线淬火主要考虑合金淬火的温度范围、冷却速度和转移时间等三个因素；针对不同合金，选择不同的在线淬火装置，才能使在线淬火获得最好的热处理强化效果。但在线淬火不是一种万能的生产工艺，对于淬火敏感性高的大规格硬铝合金管棒材，必须采用离线淬火的方式才能满足产品需要。

[1] 梁世斌.工业铝合金挤压制品的在线淬火[J].轻合金加工技术，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

陈启峰(1983-)，男，工程师，主要从事有色金属加工板带箔生产工艺及工厂设计工作。

TG166.3

A

1671-6795(2015)03-0036-03