铝合金挤压制品在线热处理技术

2018-07-04苟昕

智能城市 2018年11期

苟昕

青海国鑫铝业股份有限公司，青海西宁 810000

在研发生产高几何精度、高表面质量、高力学性能的大型复杂截面铝型材过程中，经常会受到在线淬火工艺技术水平的制约，而合金性能与淬火冷却速率有着密切的关系。在制定淬火工艺制度时，必须考虑淬火速率、淬火应力及淬火敏感性等因素，可以利用并分析合金的TTP曲线来制定铝合金的在线淬火工艺。

1 铝合金挤压制品在线热处理原理分析

有关文献研究表明：6082、6061、6063A、6063铝合金曲线的“鼻尖”温度分别为340、350、375、360℃，其淬火敏感温度区间分别为225～445℃、230～440℃、265～450℃、295～415℃。4种铝合金的淬火敏感性变化规律较为相似，中温区淬火敏感性最高，高温区淬火敏感性最低，低温区淬火敏感性介于二者之间；四种铝合金的淬火敏感性大小顺序：6082＞6061＞6063A＞6063铝合金。

6082合金和6061合金在“鼻尖”温度附近等温时，随着等温时间的延长，合金淬火时效后的组织由强化效果显著的GPⅠ区和GP区Ⅱ（亚稳相）逐渐演变成强化效果较弱的亚稳相β'和平衡相β，导致合金的硬度下降；6061铝合金在淬火敏感温度区间230～440℃的冷却速率应在8.6℃左右；而6082铝合金在淬火敏感温度区间225～445℃的冷却速率应在10.2℃左右[1]。

铝非常活泼，几乎和所有的气体发生反应。除了惰性气体，铝合金熔炼过程的正确与否直接关系到熔体质量的好坏，金属的吸气则会使铸锭在凝固过程中来不及或不能逸出。铝合金在整个熔炼过程中，炉料受热而开始熔化，造成铸锭的内部组织缺陷一经反应金属就不能还原，得到了液态的金属。在此期间，能够达到金属氧化的目的，可能会对其性能造成不利的影响。此时，受到烧损影响的的金属，会对其合金的化学成分造成不利的影响，并加大了氧化夹渣现象出现的概率，影响着铝合金铸锭的实际应用效果，且其中会存在一定的气孔。在这样的机制影响下，会降低铝合金铸锭，使其实践中所需的产品加工质量缺乏保障。同时，因铝具有良好的活性，使得其在适宜的熔炼温度条件下会与水、碳氢化合物等发生化学反应，并通过对连续熔炼法的科学使用，能够满足其熔炼作业要求。生产实践中落实铝合金熔炼作业时，为了避免铝合金铸锭废品的出现，保持其良好的产品质量，则需要缩短铝合金熔炼中熔体的停留时间，并对其熔炼过程进行严格把控，降低铝合金熔炼中气孔问题出现的概率。实践中针对这些情况，需要采取相应的措施予以应对。

2 铝合金在线淬火处理技术应用

以6061铝合金为例进行研究，TTP曲线（见图1）的鼻尖温度约为350℃，鼻温附近的中温区合金脱溶转变的孕育期非常短，合金的硬度经13s就下降到最大硬度的90%。通过对TTP曲线的深入分析，可知铝合金在线淬火处理中处于孕育期的合金脱溶转变需要耗费一定的时间。比如，处于温度较高区间（465℃）及温度较低区间（225℃）时，降最大限度下降到90%时所要花费的时间分别为380s及133s。由此可见，铝合金在线淬火处理中敏感性最低与最高时分别对应的是高温区间与中温区间，而低温区间处于二者之间。

图1 6061铝合金TTP曲线

（1）铝合金的固溶处理(淬火)是使溶质原子均匀地洛入铝基体中，以获得过饱和的固溶体为后续的时效作准各。淬火温度越高冷却速度越快，淬火后合金的过饱和度就越大，越利于合金在后续时效过程中的沉淀析出，能够显著提升合金的力学性能。然而淬火温度太高易使铝合金晶粒粗大，并且可能发生过烧；淬火冷却强度过快会导致合金因冷却不均发生挠曲变形。对此应加强研究铝合金的TTP曲线中的淬火敏感性区间，以便设计合理的淬火工艺与运用相应的精密在线淬火技术来提升合金的性能。为了满足部分铝合金制品性能的特殊要求，部分淬火敏感性高的铝合金制品还需要离线固溶处理。研究指出凡使过饱和空位浓度增加的工艺因素可以加快合金的时效硬化：如7005铝合金较高的挤压温度、较高的挤压速度、较快的淬火速度以及过大的挤压比均在一定程度上加快时效过程，使合金过早的产生过时效。

（2）铝合金制品在时效前会进行预拉伸以降低淬火过程中产生的残余应力和变形，时效前冷变形会缩短到达硬度峰值的时间，同时会降低系铝合金的强度，这是因为铝合金对合金强化起重要贡献，GP区形成必须依靠空位和溶质原子的迁移，而预变形会提高合金中的位错密度，使空位逃逸到位错处，空位数量减少使GP区难以形成。同时，铝合金的中的粗大的平衡相劝相容易在位错处形核，进一步便合金的强度降低。研究表明预拉伸变形程度分别为0%、2.3%和3.1%的7050合金，结果表明，随变形程度的增加，强度降低，而塑性和断裂韧性提高。为了改善合金的强度，研究者又研发了FTMT工艺，该工艺是在合金时效一段时间后再进行变形，然后在进行终时效，通过该工艺能够有效地提高合金的强度和抗应力腐蚀。

（3）时效温度对合金的沉淀的析出有很大影响，在不同时效温度下，析出相的临界形核尺寸、类型、以及聚集长大速度都不相同。当时效温度较低时，刚开始合金的沉淀相析出较快，合金的时效强化效果明显，后期析出相的析出以及长大缓慢，低温时效能够到较高的强度，但是需要较长的时间才能达到峰时效。随温度升高，溶质原子的扩散系数提高，析出相的沉淀析出的速度增加，同时温度高更利于过渡相和平衡相的形成。当合金的时效温度逐渐升高时，合金到达峰值硬度的时间缩短，但是峰值硬度会相应的降低。铝合金在自然时效过程中，合金电导率随着自然时效时间的延长逐渐降低，而合金的强度逐渐上升最终趋于平稳，而在人工时效过程中，由于析出较多的亚稳定相和平衡相，电导率一般随时效时间的延长逐渐上升。因此，对不同的合金的性能要求，选取合适的温度。

3 实现铝合金挤压在线淬火的工艺条件

经过挤压与固熔处理，合金元素在经过冷却之后，获得了不同的分解析出的数据，获得了令人满意的性能和组织。为了达到冷却过程中不产生合金元素的目的，采用挤压生产线的方式，进行相应的技术处理。例如，快速加热锅炉坯料，采用感应加热的方式，直接使用火焰进行加热炉的喷射，获得室温组织状态下的合金固溶的结果。采用在线淬火精密水、雾-气装置进行冷却，通过挤压在线淬火的方法，使得生产通过制造状态的不进行挤压淬火的能力降低，经过张力矫直之后，达到相应的技术标准，按照要去的形状和尺寸进行偏差的纠错。均匀处理加热后的坯料，将冷却速度加快，使得强化元素保持在固熔的状态，采用预热的方式，在挤压的过程中，将热量进行均匀的转化。挤压后的铝合金离开模具，在临近淬火的时候，冷却找不到环境的温度，防止析出发生零的析出，将型材放到冷却装置中，将固熔的挤压速度降低，达到模具离开淬火区域的一定距离之后，降低转移时间。采用喷水雾或者持续涌流水的方法，引起型材的扭曲变形，获得需要的固溶合金元素，随后的张力和矫直作业，难以进行，导致挤压机发生堵塞。此时，要将合金的淬火敏感性降到最低，进行空气淬火，达到合金的拉伸强度性能，使得合金的墙度提高一定的数值，显著增加强化效果，随着SI量的增加，淬火的敏感性降低，产生过量的SI分量，降低合金的镁的含量，降低初始突破压力。在产生较早的融化之前，形成较高的速度的挤压,防止出现脆性较大的情况。