工业铝材淬火工艺技术分享

一、淬火加热温度的选择

    工业挤压铝合金制品不像建筑铝型材6063合金，可以在挤压时用风冷或水冷进行淬火(在线淬火)，而多数合金要在专门的加热和冷却设备(淬火炉和冷却槽)中进行淬火处理。淬火的加热温度、转移时间、冷却方式都有严格的规定。

1．淬火加热温度的选择
    淬火加热温度主要根据相图中低熔点共晶温度和合金溶解度曲线的温度来选择。如图3—5—2为二元相图示意图。成分为B₁的合金只有温度高于t_溶时β相溶于基体形成单一的α固溶体。当温度继续升高到t_共时，超过了非平衡结晶条件下的低熔点共晶温度，即产生低熔点共晶体熔化，称过烧。金属制品过烧，造成废品。因此淬火加热温度必须低于共晶温度(过烧温度)，而高于合金的溶解度曲线温度。从理论上讲共晶温度与过烧温度是一致的。实际上由于非平衡结晶以及杂质元素的加入，实际的过烧温度比理论上的共晶温度略低。所以一般选择淬火温度都是低于过烧温度l0～30℃。t_溶与t_共之间的温度范围窄的选下限，t_溶与t_共之间的温度范围宽的视工艺和性能情况而选择。

    淬火加热温度是铝合金热处理中的一个重要的工艺参数，由图3—5—2可知，铝合金的淬火加热温度范围很窄，应适当选择，且其温度波动范围一般不应超过±3℃。但由于铝合金制品淬火大多采用立式淬火炉，其温差很难保证在±3℃以内，多数淬火炉的温差都有±5℃甚至更大，所以淬火加热温度的温差通常控制在±5℃。一般来说在保证不发生过烧的前提下，应尽量提高淬火加热温度。因为温度越高，合金元素和强化相固溶越好，则淬火时效后的力学性能就越高。如图3—5—3、图3—5—4和图3—5—5所示。部分工业铝合金的淬火加热温度见表3—5—1。

                                  
图3—5—2淬火加热温度与合金成分的关系图           图3—5—3 2A02合金φ2mm棒材
                                                      淬火温度对力学性能影响

                
    图3—5—4 2A16合金φ2mm棒材                    图3—5—5  2A17合金φ30mm棒材
   淬火温度对力学性能影响                           淬火温度对力学性能影响
  
表3—5—1铝合金型、棒材淬火温度表

2．淬火加热保温时间
    淬火加热保温时间主要取决于强化相的固溶速度。而强化相的固溶速度又与淬火加热温度、合金的本性、组织状态、制品断面大小、加热条件、介质及装炉多少等因素有关。

    一般淬火加热温度偏上限时，其保温时间相应要短一些。经过高温挤压、变形程度较大的，保温时间较短。而预先经过退火的制品，由于其强化相缓慢析出较粗大，使其强化相溶解速度较慢，因而保温时间相应的长一些。制品在热空气中加热和在盐浴中加热其保温时间大不一样。在盐浴中加热的时间要短得多。工业用铝合金型、棒材多数是用立式空气淬火炉，其保温时间是以金属表面温度或炉膛温度达到淬火温度下限开始计算保温时间。

    表3—5—2列出了铝合金型、棒材在立式空气淬火炉中，不同制品尺寸的加热保温时间。表3—5—3为管材在立式空气淬火炉中，不同壁厚的加热保温时间。淬火加热保温时间必须保证强化相充分溶解，才能获得最大的强化效果。但加热时间也不宜太长，在某些情况下，反而会使合金性能降低。

二、淬火加热保温时间

    淬火加热保温时间主要取决于强化相的固溶速度。而强化相的固溶速度又与淬火加热温度、合金的本性、组织状态、制品断面大小、加热条件、介质及装炉多少等因素有关。

    一般淬火加热温度偏上限时，其保温时间相应要短一些。经过高温挤压、变形程度较大的，保温时间较短。而预先经过退火的制品，由于其强化相缓慢析出较粗大，使其强化相溶解速度较慢，因而保温时间相应的长一些。制品在热空气中加热和在盐浴中加热其保温时间大不一样。在盐浴中加热的时间要短得多。工业用铝合金型、棒材多数是用立式空气淬火炉，其保温时间是以金属表面温度或炉膛温度达到淬火温度下限开始计算保温时间。

    表3—5—2列出了铝合金型、棒材在立式空气淬火炉中，不同制品尺寸的加热保温时间。表3—5—3为管材在立式空气淬火炉中，不同壁厚的加热保温时间。淬火加热保温时间必须保证强化相充分溶解，才能获得最大的强化效果。但加热时间也不宜太长，在某些情况下，反而会使合金性能降低。

表3—5—2铝合金型、棒材在立式空气淬火炉中加热保温时间

表3—5—3铝合金管材在立式空气淬火炉中加热保温时间

三、工业铝材淬火转移时间

    许多工业热处理强化合金如2A12，7A04等高强度铝合金，不像建筑铝型材如6063合金那样可以在空气中淬火，即较小的冷却速度就可以阻止强化相的析出。它们从淬火加热炉中拿出，转移到淬火水槽中，短短的十几秒钟甚至是几秒钟在空气中冷却，就会有强化相的析出，影响强化效果。表3—5—4列出了7A04合金不同转移时间对淬火后的力学性能的影响。

表3-5-4 7A04合金淬火转移时间对制品力学性能的影响

    因此淬火转移时间是铝合金淬火工艺中必须规定的工艺参数之一。即制品从淬火炉中转移到淬火介质中，必须在规定的最大转移时间内完成。这一时间称最大容许转移时间或淬火延迟时间。这一时间与合金的成分、材料的形状、设备操作的自动化程度有关。条件允许的话，淬火转移时间越短越好。一般工艺规定：小型材的转移时间不应超过20 s，大型的或成批淬火的型材，不应超过40 s。对于超硬铝合金如7A04，转移时间不应超过15 s。

四、工业铝材淬冷却速度

    淬火时的冷却速度必须确保过饱和固溶体被固定下来不分解。防止强化相析出，降低淬火时效后的力学性能。因此淬火时的冷却速度越快越好。但是冷却速度越大，淬火制品的残余应力和残余变形也越大，因此冷却速度要根据不同的合金和不同形状、尺寸的制品来确定。一般合金的淬火对冷却速度敏感性强的，选择的冷却速度要大。如2A11，2A12合金淬火冷却速度应在50℃/s以上，而7A04合金对冷却速度非常敏感，其淬火冷却速度要求在170℃/s以上。
    对于形状、尺寸大小不同的制品应采用不同的冷却速度，通常主要靠调整淬火介质的温度来实现。对于形状简单、中小型、棒材可用室温水淬火(水温一般l0～35℃)，对于形复杂、壁厚差别较大的型材，可用40～50℃的水淬火。而对于特别易产生变形的制品，甚至可以将水温升至75～85℃进行淬火。试验证明随着水温升高使其淬火制品的力学性能和抗蚀性能有所降低。

    铝合金最常用的淬火介质是水。因为水的粘度小、热容量大，蒸发热快，冷却能力强，而且使用非常方便、经济。但是它的缺点是在加热后冷却能力降低。淬火加热的制品在水中冷却可以分为三个阶段：第一阶段为膜状沸腾阶段。当炽热制品与冷水刚接触时，在其表面立即形成一层不均匀的过热蒸汽薄膜，它很牢固，导热性不好，使制品的冷却速度降低。第二阶段为气泡沸腾阶段。当蒸汽薄膜破坏时，靠近金属表面的液体产生剧烈的沸腾，发生强烈的热交换。第三阶段为热量对流阶段，冷却水的循环，或制品左右摆动、或上下移动，增加制品表面与水产生对流的热交换，以提高冷却速度。

    根据上面分析，为了很快突破第一阶段，迸一步冷却，保证淬火制品冷却均匀，需要在淬火水槽中装有压缩空气管，以便搅拌，同时制品下入水槽后要作适当的摆动。另外为保证水温不会升高太多，淬火槽应有足够的容量(一般应为淬火制品总体积的20倍以上)。而且冷却水应有循环装置。

    除了调节水温来控制淬火冷却速度外，还可以在冷却水中加入不同的溶剂来调节水的冷却能力。通常采用聚乙醇水溶液作为冷却介质，同时还可以调节聚乙醇水溶液浓度来控制制品淬火的冷却速度。一般易变形的制品，经常用这种聚乙醇水溶液来淬火。