鋁合金板帶材固溶、時(shí)效處理及其設(shè)備

吳雙鎖

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng)471039)

鋁合金作為一種高性能材料，廣泛應(yīng)用在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑裝飾、食品包裝、生活日用品等各行各業(yè)。我國(guó)的鋁合金研究與國(guó)外相比，不論是基礎(chǔ)理論、工藝技術(shù)，還是技術(shù)裝備水平及其完善程度都有一定的差距。本文從固溶和時(shí)效熱處理角度出發(fā)，介紹鋁合金基本固溶和時(shí)效熱處理工藝及其主要設(shè)備。

1 固溶熱處理及設(shè)備

1.1 固溶熱處理(淬火)工藝

固溶熱處理是獲得過飽和固溶體的一種方法，它是在一定加熱溫度下將第二相全部或最大限度地溶入固溶體中，保溫一段時(shí)間后，以快于第二相自固溶體中析出的速度冷卻，從而獲得過飽和的溶質(zhì)原子和空位。圖1是一個(gè)典型的鋁合金二元相圖，成分為C0的合金，室溫平衡組織為α+β。 α為基體固溶體， β為第二相。 合金加熱至Tq時(shí)， β相將溶入基體而得到單相的α固溶體。 若溫度降低至T0以下， 固溶體成為過飽和狀態(tài)，超過平衡溶入量的溶質(zhì)就有析出的傾向，在一定的條件下，多余的溶質(zhì)就以β相的形式析出。

圖1 鋁合金的二元相圖

鋁合金固溶處理的加熱溫度一般為460～550 ℃,保溫時(shí)間取決于鋁合金的厚度和選用的設(shè)備。

加熱溫度在鋁合金固溶處理工藝中是一個(gè)重要的參數(shù)，溫度過高鋁合金中的共晶體(低熔點(diǎn)的機(jī)械混合物) 會(huì)發(fā)生熔化(過燒) 和導(dǎo)致晶粒粗化(過熱) ;若加熱溫度低于下限,一些強(qiáng)化相不能溶解,影響鋁合金的強(qiáng)度。所以在不產(chǎn)生過燒和過熱的情況下,要盡可能采用較高的固溶溫度,提高固溶體的過飽和度，同時(shí)減少了粗大未溶結(jié)晶相，對(duì)于提高時(shí)效析出程度和改善抗斷裂性能具有積極意義，是提高鋁合金綜合性能的一個(gè)有效途徑。精確的控制設(shè)備的加熱溫度及均勻性是固溶熱處理爐的重點(diǎn)。

淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間也是固溶處理比較關(guān)鍵的工藝參數(shù)，板帶材從加熱爐到進(jìn)入冷卻介質(zhì)的間隔時(shí)間要求比較嚴(yán)格,轉(zhuǎn)移時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致板材溫度下降,發(fā)生部分固溶體分解,析出粗大疏松相,產(chǎn)生組織偏析,從而降低時(shí)效強(qiáng)化效果。因此，為了保證合金的性能，應(yīng)盡量縮短淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間，一般鋁合金工件固溶處理轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過10～20 s。

1.2 固溶熱處理設(shè)備

國(guó)內(nèi)鋁合金板帶材固溶處理設(shè)備多為鹽浴爐，鹽浴爐的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，保溫時(shí)間短，均勻性好，其加熱速度是電爐的5～7倍，缺點(diǎn)是安全性差，如果發(fā)生安全事故后果相當(dāng)嚴(yán)重。

國(guó)外比較先進(jìn)的鋁合金板帶材固溶熱處理設(shè)備有輥底式淬火爐和氣墊爐，具有淬火均勻性好，板材變形小，安全等優(yōu)點(diǎn)。輥底式固溶熱處理爐一般用于厚度為3～200mm的板材的固溶處理，氣墊爐一般用于厚度為0.2～30mm帶材的固溶處理處理。

輥底式固溶熱處理爐一般包括：上料輥道、加熱段、淬火段、卸料輥道等， EBNER和OTTO JUNKER的輥底式固溶熱處理爐采用天然氣加熱或電加熱，可以處理2～200mm厚的板材，加熱系統(tǒng)和溫度由計(jì)算機(jī)控制，加熱段爐溫均勻性可以達(dá)到±1 ℃，板材溫差控制在±2 ℃。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明輥底爐的淬火均勻性優(yōu)于鹽浴爐，通過表1中7B04合金板材在鹽浴爐中淬火和在輥底爐中淬火不平度的對(duì)比可以看出這一點(diǎn)。由于輥底爐的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間短，所以淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)板材的影響也比鹽浴爐小得多，尤其是在淬厚度不大的板材時(shí)輥底爐的優(yōu)勢(shì)更為明顯。圖2為輥底式固溶熱處理爐。

表1 7B04合金板材在鹽浴爐和輥底爐淬火不平度對(duì)比

1.上料輥道，2.加熱段，3.淬火段，4.卸料輥道

氣墊式固溶熱處理爐是一條由淬火爐和精整設(shè)備組合在一起的連續(xù)生產(chǎn)線，一般包括開卷機(jī)、切邊機(jī)、熱處理爐體、張力矯直機(jī)、卷取機(jī)等。氣墊式固溶熱處理爐的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、帶材表面質(zhì)量好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。圖3為氣墊式固溶熱處理爐外形。

圖3 氣墊式固溶熱處理爐

目前，國(guó)內(nèi)引進(jìn)并投產(chǎn)的輥底式固溶熱處理爐有兩臺(tái)，一臺(tái)由奧地利的EBNER公司設(shè)計(jì)制造安裝在東北輕合金有限責(zé)任公司，另一臺(tái)由德國(guó)的OTTO JUNKER公司設(shè)計(jì)制造安裝在西南鋁加工廠，該廠有國(guó)內(nèi)第一條氣墊式鋁帶連續(xù)熱處理爐，是由美國(guó)Surface公司設(shè)計(jì)制造的。近些年國(guó)內(nèi)熱處理廠家也開始投入人力物力研制鋁板帶固溶熱處理生產(chǎn)線，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有引進(jìn)的鋁板帶固溶熱處理設(shè)備為國(guó)內(nèi)熱處理設(shè)備廠家研究提供了一定便利條件，我們期待著國(guó)產(chǎn)鋁板帶固溶熱處理生產(chǎn)線早日研制成功。

2 時(shí)效處理及設(shè)備

2.1 時(shí)效處理工藝

20世紀(jì)初人們發(fā)現(xiàn)鋁合金工件剛淬完火后硬度并不高，和退火后差不多，只有在室溫放置一段時(shí)間硬度才逐漸提高，經(jīng)過研究銅鋁合金發(fā)現(xiàn)，過飽和固溶體十分不穩(wěn)定，溶于α為基體中的Cu在室溫下析出CuAl2，使自己處于穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生了無數(shù)的富銅區(qū)(GP區(qū))片狀物，彌散在金屬晶體內(nèi)部，阻礙了滑移，從而提高了合金的機(jī)械強(qiáng)度。

時(shí)效分為自然時(shí)效和人工時(shí)效，采用哪種時(shí)效方式要根據(jù)合金本性和用途而定。以Al2CuMg和CuAl2為強(qiáng)化相的鋁合金采用自然時(shí)效，可以獲得較高的強(qiáng)度，同時(shí)也能保持良好的塑性，且自然時(shí)效狀態(tài)的耐腐蝕性也明顯優(yōu)于人工時(shí)效；但超硬鋁合金一般不采用自然時(shí)效，因?yàn)樵撓岛辖餑P區(qū)形成緩慢，自然時(shí)效過程往往延續(xù)幾個(gè)月也達(dá)不到最高強(qiáng)度、相應(yīng)的耐蝕性也差，所以7xxx系超硬鋁合金一般采用人工時(shí)效。

需要進(jìn)行人工時(shí)效的鋁合金板帶材主要為：2xxx、7xxx和部分6xxx系合金，人工時(shí)效溫度都不高，一般在120～200℃之間，保溫時(shí)間一般在4～16小時(shí)。

2.2 時(shí)效爐

時(shí)效爐一般包括：儲(chǔ)料臺(tái)、爐體、料車、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等部分。時(shí)效爐多采用低溫電加熱的箱式爐，爐溫均勻性是一個(gè)比較重要的性能指標(biāo)，國(guó)外時(shí)效爐的爐溫均勻性可以達(dá)到±1℃。國(guó)內(nèi)時(shí)效爐制造技術(shù)也比較成熟，其技術(shù)性能均能達(dá)到工藝要求。生產(chǎn)的廠家比較多，主要有蘇州新長(zhǎng)光熱能科技股份有限公司、陜西安中機(jī)械等。圖4為板材時(shí)效爐外形。

圖4 板材時(shí)效爐

3 結(jié)論

隨著鋁合金材料的廣泛應(yīng)用，鋁合金熱處理基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)工藝的不斷研究，對(duì)其熱處理設(shè)備的要求也越來也高。國(guó)內(nèi)的鋁合金熱處理設(shè)備在近些年發(fā)展較快，設(shè)備水平不斷提高，但是與國(guó)外熱處理設(shè)備相比在單位產(chǎn)量能耗、爐溫均勻性和自動(dòng)化控制等方面還有一定差距，這些是國(guó)內(nèi)熱處理設(shè)備廠家需要學(xué)習(xí)提高的地方。

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