6061铝合金厚板零件真空气淬工艺研究

2022-03-14孙娅玲

机械研究与应用 2022年1期

刘超，王朝，孙娅玲

(西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068)

0 引言

真空气淬零件在真空环境下加热，不易被氧化，气淬后工件的变形量小，可用于热处理后需要精密加工的产品[1]。但是由于真空气淬的冷却介质为纯度99.99%的工业氮气，其冷却速度比水淬慢，淬火后硬度值难以达到水淬后的效果，所以导致厚板类6061铝合金真空气淬技术在生产中的应用不是很广泛[2-3]。要保证厚板类6061铝合金在真空气淬后达到较高的硬度，并符合工艺要求，就要对真空气淬过程进行研究，拓展思路，提高工件在气淬过程中的冷却速度[4]。下面介绍真空气淬的主要工艺过程，并对人工时效参数、充气压力及工件摆放位置三个方面进行试验研究，得出了6061铝合金厚板零件的真空气淬工艺方法和工艺参数；达到了厚板零件可以淬透的效果，解决了6061铝合金厚板零件真空气淬后硬度值低的问题。

1 厚板零件概况

文中研究的6061铝合金厚板零件，完成了真空钎焊后进行淬火时效，零件外形尺寸为260×160×22，见图1。要求淬火时效后零件洛氏硬度HR15T≥71，零件变形量<0.2 mm。

图1 6061铝合金厚板零件外形

2 真空气淬主要工艺过程

选用的铝合金真空气淬炉，其真空度能达到6×10-3Pa以下，可减小工件高温下的氧化，同时提高充氮气后的冷却速度。炉温均匀性应控制在±5 ℃以内，以减小工件的热量传递不均匀造成的淬火后硬度不均匀。设备自身带有冷凝器，可对充入炉膛内的氮气进行循环降温，加快工件的冷却速度，保证在4 min之内冷却到100 ℃以下(气淬冷却曲线见图2)。当炉内温度降至80 ℃以下时取出工件，立即对工件进行校正，以保证变形量不超过工艺要求。在淬火后2 h内转入人工时效，保温后取出。主要工艺参数见表1所列。

表1 真空气淬相关参数

图2 真空气淬冷却曲线

3 试验过程

3.1 人工时效工艺分析

参考以前类似零件的时效工艺[5]，初步确定了两种时效参数，分别是200 ℃、保温2 h和180 ℃、保温10 h。气淬时，每炉放置10件零件，摆放时，a面平行于炉底板放置，b面朝向炉膛两侧的出风口。充氮后炉内压力为0.4 MPa。共进行了20件淬火，淬火完后采用两种工艺进行人工时效。时效后检测硬度数据见表2和表3。表2为中人工时效200 ℃，保温2 h，表3中人工时效180 ℃、保温10 h。

表2 时效后检测硬度数据1

表3 时效后检测硬度数据2

由表2，表3可以看出180 ℃保温10 h，零件硬度较200 ℃保温2 h的硬度稍高，这是因为延长时效保温时间，更有利于材料中的合金元素固溶在基体金属中造成一定程度的晶格畸变，从而使合金强度提高。单纯改变时效工艺，工件硬度仍不满足HR15T≥71的工艺要求。

3.2 炉内充气压力影响分析

第3炉试验时将炉膛内充氮气后的压力提高到0.45 MPa，零件摆放与前两炉一致。仍然是a面平行于炉底板放置，b面朝向炉膛两侧的出风口。进行10件淬火试验，淬火后选择180 ℃，保温10 h的时效工艺。时效后检测硬度数据见表4。表4中人工时效180 ℃，保温10 h。

表4 时效后检测硬度数据3

提升炉内充气压力可加快工件的冷却速度。在淬火时，合金中会形成空位，通过提升冷却速度，空位来不及移出，便被“固定”在晶体内，冷却速度越快，固溶体内所“固定”的空位就越多，空位浓度越大，基材的淬透性越强，更有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸，提高气淬后的硬度。但从记录的数据来分析，工件的硬度值仍在合格线上下徘徊，硬度不稳定。

3.3 工件在炉内摆放位置影响分析

在前面3次的真空气淬试验时，工件都以a面朝向炉底板平行放置，炉底板与工件直接接触，接触面积较大。由于炉底板的材料为1Cr18Ni9Ti，且重量大，导致其吸热量大，在真空气淬的整个过程中冷却较慢，导致工件的冷却速度较慢。真空气淬炉的氮气充气口在炉膛两侧，如果a面朝向氮气充入口就易导致工件发生变形，同时a面面积大，影响充气口的氮气流通，减小氮气在工件之间的流通速度，影响工件的冷却速度。

综合以上分析，确定新的摆放位置，将零件直立放置。 c面朝向炉底板并与炉底板平行，b面朝向两

侧的氮气充气口，a面与氮气流动方向平行。按此思路制作工件支架，保证工件与工件之间隔开，工件与炉底板隔离，放置平稳，并错位放置，目的是加快氮气在工件之间流动速度，提高冷却速度和冷却效果。

第4次真空气淬时，10件零件摆放在工件支架上，直立放置，提高冷却效率。炉内充气压力为0.45 MPa，淬火后选择180 ℃，保温10 h的时效工艺。时效后检测硬度数据见表5，硬度值已完全符合工艺要求(HR15T≥71)。