复杂截面铝型材在线淬火技术

2021-07-06付永涛侯永超杨红娟

中国重型装备 2021年3期

付永涛张君柴星杨建侯永超杨红娟黄胜

(中国重型机械研究院股份公司，陕西710032)

随着铝型材在航空航天、轨道车辆、船舶和医用设备等领域的普遍应用[1-3]。不仅要求铝型材从简单截面向复杂截面方向发展，而且要求铝型材生产过程中必须精确控制生产工艺制度，以获得良好的组织性能，尤其是铝型材的在线淬火。淬火时冷却速率太慢会减少Mg2Si粒子保留在固溶状态，从而降低强化效果，冷却速率太快使复杂铝型材局部残余应力不均匀，导致铝型材发生变形。因此，对复杂截面铝型材在线淬火技术具有重要意义。

1 复杂截面铝型材在线淬火技术理论基础

对于热处理可强化处理的铝合金，在线淬火使Mg2Si粒子保留在固溶状态，要求挤压时铝材需从500℃以上高温快速冷却到200℃以下。通常用TTP曲线、扭曲敏感度曲线来分析铝型材冷却速率对铝型材质量的影响，如图1所示。

从图1可以看出，不同材料的铝型材对淬火冷却速度的反应不同[4-5]。一方面，为了避免铝合金中固溶体的析出以及析出粒子的长大，必须避开TTP曲线(C曲线)区域。如果淬火冷却曲线和铝合金TTP曲线不相交，则表明淬火所用冷却速率合适。另一方面，当断面复杂的型材在高冷却速率下冷却时，型材可能产生严重扭曲，达不到使用要求。因此，铝型材淬火过程需要一个合适的冷却速率。

图1 铝合金TTP曲线、扭曲敏感度曲线和冷却速率的关系

铝材在线淬火是热量交换的过程，包括铝材中的热传导和铝材与水、空气之间的对流换热两个过程。热量在铝材中热传导计算公式：

Φ=-λAdT/dx

(1)

式中，Φ为热传导热量，单位W；λ为热传导导热系数，单位W/(m2·℃)；A为传热面积，单位m2；T为温度，单位℃；x为在导热面上的坐标，单位m。

采用空气冷却、水冷却淬火热量交换均可认为是对流换热，对流热量计算公式为：

Qc=hcA(Ts-Tf)

(2)

式中，Qc为对流传热热量，单位W；hc为流体与铝型材间的平均对流热传递系数，单位W/(m2·℃)；A为流体与铝型材接触面积，单位m2；Ts为冷却介质接触铝型材后的温度，单位℃；Tf为冷却介质接触铝型材前的温度，单位℃。

由公式(2)可以看出，铝材的冷却速率与热传导系数、对流换热系数、铝型材与冷却介质的接触面有很大关系。

实现铝材在线淬火的途径有风冷、雾冷、风雾混合冷却、喷淋冷却、过水冷却和驻波冷却等。风冷由于空气对流传热系数不大，冷却缓慢，产生的热应力一般不会使型材产生大的纵向弯曲和截面畸变。因此，风冷适用薄壁型材的淬火。雾冷是将水通过雾化喷洒到型材表面冷却，此方式比风冷传热系数大些，但由于雾喷到型材表面会形成蒸汽膜层，由于蒸汽膜层传热系数小，严重影响淬火效果。风雾冷却是使将雾化水喷洒到型材表面的同时送入适量的风，这样可以消除由于雾喷到型材表面形成蒸汽膜层，使水雾与型材直接接触，增大了传热系数。高压喷淋冷却是高压使水喷洒到铝型材表面，迅速破坏蒸汽膜层，使水较快与型材表面直接接触，可以获得最大的冷却速度。过水冷却使铝型材穿过水槽，因其冷却介质为水，冷却效率高，但高温型材进入水槽初期处于蒸汽膜传热阶段，在高温型材与水的界面上形成蒸汽膜层，由于蒸汽导热系数小，以及蒸汽膜对水的隔断作用，使型材冷却速度不快，一旦蒸汽泡溢出，型材与水接触，导热效率迅速增加。驻波冷却是让水形成一个可翻滚循环的水体，当铝型材穿过水体时，同过水淬火会产生蒸汽膜层，因其水体翻滚，可冲破蒸汽膜层，使水与铝型材快速接触，增加冷却速度。

2 复杂截面铝型材在线淬火装置

为了研制出新型高效的淬火装置，必须综合考虑以下几个方面：

(1)冷却速度分区域控制。针对复杂截面铝型材，需要采用不同的冷却速度以及冷却密度对其进行淬火。对于淬火初始阶段由于冷却速度对铝材变形比较敏感，适合比较慢的冷却速率淬火，当型材到达中间区域时，可采用带有高压喷射水的淬火装置加强冷却，快速降低温度，确保Mg2Si过饱和相固定，达到最佳淬火后的力学性能，最后采用强风冷却将型材冷却至室温。

(2)复杂截面型材横截面壁厚分布极不均匀，为了保证整个型材截面上力学性能均匀，减少淬火过程中冷却速度不一致导致的变形，要求淬火时型材截面上冷却速度要保持一致，即需要冷却速率在型材截面方向能够根据需要进行差异化调节。型材壁厚大的区域可采用高冷却速率，壁厚较小区域可采用低冷却速率，进行差异化调节，进而同一时间内使型材在截面方向冷却到相同的温度。

(3)装置的操作性比较强，方便操作人员进行调节控制。尤其是大型挤压机生产出的铝型材形状和壁厚不均匀性变化非常大。

针对上述研究，我们提出了复杂截面铝型材在线淬火装置的冷却速度需分区域控制和周向多路冷却差异化调节。

(1)风雾混合、高压喷水、强风冷却组合式“三段式”淬火；

(2)周向多路冷却布置，并且冷却强度差异化调节；

(3)可在操作台上针对不同型材进行淬火参数设定、修改和存储，调整后的优化数据可在数据库中存储，以便于下次读取。

3 实例运用

根据以上研究，设计开发了江苏亚太90 MN铝挤压机淬火装置，如图2所示，淬火装置的具体设计参数如下：

图2 90 MN淬火装置

风雾区风总量：30×104m3/h

强风区风总量：15×104m3/h

风嘴出口风速：≥60 m/s

高压水总流量：≥240 m3/h

高压水最高水压：0.7 MPa

淬火装置沿挤压方向分3个区段：风雾淬火区，高压喷水区和强风冷却区。如图3所示。其中风雾淬火区和高压喷水区公共长度共8 m，强风冷却区域共4 m。

图3 沿挤压方向淬火区段划分

“三段式”淬火装置根据不同冷却介质冷却速度的差异化调节不仅可以提高复杂截面铝型材的力学性能，而且可以显著减少型材变形。

为解决90 MN复杂截面铝型材周向冷却的不均匀性问题，沿周向风区分为上、下、左、右四个，分别由4个风机由变频器控制风量大小，见图4。

图4 周向风淬分区布置图

高压水淬多路调节系统由水泵、压力传感器、比例阀、喷嘴和压力调节阀组成。沿挤压方向断面周向分为12个大喷嘴和12个小喷嘴，并且大、小喷嘴两两成对，分为12对，上冷却罩上3大+3小喷嘴，左淬火通道侧壁上3大+3小喷嘴，右淬火通道侧壁上3大+3小喷嘴，下冷却罩上3大+3小喷嘴，12对大、小喷嘴水量分别由12个比例阀控制水量大小，如图5所示。周向多路冷却强度差异化调节是通过喷水比例阀、压力传感器和排水比例阀进行PID控制，来调节每路喷嘴喷水量的大小。