薄壁鋁合金零件熱處理變形控制工藝研究

（江南計(jì)算技術(shù)研究所， 江蘇 無錫，214083）

薄壁鋁合金零件熱處理變形控制工藝研究

賈建中 劉國平

（江南計(jì)算技術(shù)研究所， 江蘇 無錫，214083）

如何有效控制薄壁鋁合金零件熱處理變形一直是一個(gè)工藝技術(shù)難題。本文通過對熱處理變形的研究，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)使用高分子聚合物淬火介質(zhì)可以最大程度減小淬火操作所產(chǎn)生的變形，可以在工藝過程中配合使用，滿足薄壁鋁合金零件變形控制的需要。

2A12薄鋁板；高分子聚合物；淬火；熱處理；變形控制

關(guān)于鋁合金的熱處理參數(shù)均有完整的手冊、技術(shù)數(shù)據(jù)等資料可以參考，而且參數(shù)準(zhǔn)確完整，但是就熱處理操作過程而言，可參考的文獻(xiàn)非常少，尤其是各單位的產(chǎn)品特點(diǎn)、設(shè)備及加工特性、工藝設(shè)計(jì)習(xí)慣等都各不相同，這些方面的影響使得在具體零件熱處理的操作中有一定區(qū)別，甚至某些方面相差甚遠(yuǎn)，它受經(jīng)驗(yàn)因素影響較大，而這部分經(jīng)驗(yàn)有別于理論研究，沒有成熟的資料可以借鑒，往往是在生產(chǎn)實(shí)際和某種特定產(chǎn)品反復(fù)生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)歸納獲得的。

高強(qiáng)度薄壁零件尤其是鋁合金在加工制造過程中，如何控制其變形是一個(gè)很大的難題，主要會(huì)產(chǎn)生兩大變形，一是熱處理產(chǎn)生的變形；二是加工過程產(chǎn)生的變形。常用熱處理方法包括固溶處理（淬火）、時(shí)效和再加熱（退火和穩(wěn)定化）三種，從理論角度講熱處理導(dǎo)致的變形是不可避免的。本文主要針對如何減小和控制薄壁零件在固溶處理過程中產(chǎn)生的變形進(jìn)行試驗(yàn)和研究。

1 固溶處理及變形因素分析

將鋁合金加熱至較高的溫度，保溫后迅速冷卻，可獲得過飽和固溶體，這種操作屬于淬火，而對于鋁合金而言稱之為固溶處理。固溶過程一般分為加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，其中，冷卻對零件變形起到?jīng)Q定性的作用。

1.1 冷卻介質(zhì)的工作原理和作用

淬火液作為淬火冷卻的必要環(huán)節(jié)除了有助于形成所需的微觀結(jié)構(gòu)外，另一項(xiàng)重要作用就是在冷卻過程中使零件表面冷卻過程的均勻性達(dá)到最高限度，以至達(dá)到減小淬火后變形的目的。

其淬火液的作用機(jī)理主要分為兩種形式：

一是工件在有霧態(tài)變化的介質(zhì)中冷卻，其分為3個(gè)階段：①膜態(tài)沸騰階段，赤熱工件浸入介質(zhì)中，立即在工件表面產(chǎn)生大量蒸汽，形成一層包圍工件的蒸汽膜，將工件與液體介質(zhì)隔開，只能通過蒸汽膜傳遞熱量，冷速較慢；②泡狀沸騰階段，工件表面溫度降到一定值以下，表面所產(chǎn)生的蒸汽量少于蒸汽從表面逸出的量，工件表面的蒸汽膜破裂，浸入泡狀沸騰階段。在此階段液體介質(zhì)直接與工件表面接觸，冷卻速度驟增；③對流階段，一旦工件表面溫度降至介質(zhì)的沸點(diǎn)之下，沸騰停止。此后通過對流使工件繼續(xù)冷卻，是冷卻最慢階段。

圖1 不同介質(zhì)淬火后零件變形

圖2 不同介質(zhì)淬火的零件變形量對比（左側(cè)曲線為高分子聚合物，右側(cè)曲線為水）

另一個(gè)是工件在無霧態(tài)變化的介質(zhì)中冷卻，工件與介質(zhì)之間的熱交換是以對流傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)行的，類似于前一類介質(zhì)的“對流階段”。在整個(gè)冷卻過程冷卻速度不會(huì)出現(xiàn)突然變化，而是隨工件與介質(zhì)之間溫差減少，而逐漸減慢。

1.2 常用淬火介質(zhì)和冷卻方式

隨著科技發(fā)展，淬火液的種類也層出不窮，本文主要針對以下兩種淬火液進(jìn)行分析、研究。

（1）以水作為淬火液。

目前來說，水是一種最為常見的淬火液，水的冷卻能力比較強(qiáng)，但其膜狀沸騰階段長，靜止水的最大表面換熱系數(shù)出現(xiàn)在400℃以下，水溫對水的冷卻能力有強(qiáng)烈的影響。此外，水的浸濕速度低，靜止水的冷卻特性不是很理想。循環(huán)、攪拌和增加沿工件表面的水流動(dòng)速度，能促使蒸汽膜提早破裂。

同時(shí)，水是最經(jīng)濟(jì)的淬火介質(zhì)，其化學(xué)穩(wěn)定性很高，熱容量較大。但水在高溫區(qū)的冷卻能力并不強(qiáng)，而在300℃附近冷卻能力卻很大，因此，純水的冷卻特性恰恰與要求的理想淬火介質(zhì)的特性相反。目前，常用的水基淬火液有鹽水、堿水、飽和氯化鈣、三硝水溶液(NaNO3、NaNO2、KNO3)、有機(jī)高分子水溶液等。

（2）以高分子聚合物水溶液作為淬火液。

高分子聚合物水溶液，是一種含有各種高分子聚合物水溶液的新興產(chǎn)品，配以適量的防腐劑和防銹劑使用。使用時(shí)根據(jù)需要加水稀釋成不同濃度的溶液，可以得到水、油之間或比油更慢的冷卻能力。采用此類水溶液淬火往往會(huì)在工件表面形成一層聚合物薄膜，改變了冷卻特性，濃度越高，膜層越厚，冷卻越慢。液溫升高冷卻速度減慢，攪動(dòng)則使冷速加快，目前應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。

2 熱處理工藝試驗(yàn)方案

為保證試驗(yàn)效果，依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)，本文選擇常用的2A12鋁合金薄壁構(gòu)件作為樣本進(jìn)行研究，主要圍繞淬火介質(zhì)的作用機(jī)理和鋁合金的變形機(jī)理，從熱處理效果和熱處理變形兩個(gè)方面進(jìn)行分析研究。選用的熱處理試驗(yàn)方案包括以下4種：

（1）針對不同的淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。

圍繞水和高分子聚合物兩種淬火介質(zhì)開展。選取2A12薄鋁板，分別置于相同溫度的兩種淬火液中進(jìn)行固溶處理，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

（2）針對不同的淬火介質(zhì)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。

淬火介質(zhì)選定水和高分子聚合物淬火液中的一種，分別將2A12薄鋁板置于不同溫度的溶液中完成固溶處理，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

（3）針對不同的冷卻方式進(jìn)行試驗(yàn)。

同種的淬火介質(zhì)且采用不同的冷卻方式也會(huì)對工件的變形產(chǎn)生很大的影響。在淬火液溫度相同情況下，分別將2A12薄鋁板在靜態(tài)、流動(dòng)、攪拌溶液中進(jìn)行固溶處理，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

（4）針對工件放入淬火液的不同方式進(jìn)行試驗(yàn)

鋁合金板材都具有一定的紋理性，同一種金屬在不同紋理方向上的性能也會(huì)有所不同，依據(jù)不同的紋理方向放入淬火介質(zhì)中也會(huì)對變形產(chǎn)生影響。

在該試驗(yàn)方案中，分別將薄鋁板按水面與紋理平行、水面與紋理垂直和直接放入三種方式進(jìn)行，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究

針對不同冷卻介質(zhì)、不同溫度情況進(jìn)行淬火試驗(yàn)，獲得每種情況下零件的變形量，每組試驗(yàn)樣本為10件，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總，可以得出如下結(jié)論。就冷卻方式而言，采用靜態(tài)、流動(dòng)及攪動(dòng)介質(zhì)，對工件變形影響很小，基本可以忽略不計(jì)；就工件進(jìn)入介質(zhì)姿態(tài)而言，工件大面平行于介質(zhì)面放入導(dǎo)致比較大的變形，金屬紋理方向垂直或平行對工件變形影響很小，不是關(guān)鍵因素；上述兩點(diǎn)與一般傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)相符，這里不再贅述。

一般而言，隨著介質(zhì)溫度的升高工件變形趨勢會(huì)變小，試驗(yàn)中水作為一種常用介質(zhì)這一特性得到體現(xiàn)，但是對高分子聚合物而言呈現(xiàn)了相反的特性；再者，水和高分子聚合物相比，對工件變形的影響是巨大的，可以說是顛覆性的。

圖1-a為試件固溶處理時(shí)，采用不同溫度的水中進(jìn)行冷卻后所體現(xiàn)的變形量不同，隨著水的溫度的升高淬火變形量減小。由于常溫下的水冷卻能力是最大的，冷卻速度可達(dá)750℃/s以上。但冷卻太快，試件內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致較大的淬火畸變。故可通過調(diào)節(jié)水溫來防止畸變和開裂，水溫可升到30～50℃，特殊情況下，可允許升到80℃，在實(shí)際實(shí)踐過程中，根據(jù)產(chǎn)品特性、技術(shù)要求和工藝規(guī)范進(jìn)行選擇。

圖1-b為試件固溶處理時(shí)，采用不同溫度的高分子聚合物淬火液中進(jìn)行冷卻后的變形量曲線圖，隨著介質(zhì)溫度升高變形量有略微增大的趨勢。在同等濃度的條件下，由于提高淬火液溫度導(dǎo)致其冷卻速率下降，致使其冷卻過程時(shí)間增加，不能更好的控制試件的變形量，因此淬火液的溫度決定著試件的變形趨勢，因正確選擇淬火液溫度變量產(chǎn)生適合的淬火速率以達(dá)到最佳效果。在實(shí)際實(shí)踐過程中，使用該類溶液作為介質(zhì)時(shí)，控制溶液溫度非常必要，這樣可以有效避免變形增加或者工件開裂等工藝缺陷。

水與高分子聚合物作為固溶處理介質(zhì)，對工作溫度而言呈現(xiàn)了截然相反的一種特性，如果單純從產(chǎn)生的變形量來比較，對比效果更加明顯，如圖2所示。

圖2為水基淬火介質(zhì)和高分子聚合物水溶性淬火介質(zhì)的冷卻試驗(yàn)結(jié)果的比對。圖2左側(cè)曲線為采用高分子聚合物淬火液，工件（零件）產(chǎn)生的變形量，工件變形量隨著介質(zhì)工作溫度的升高而有所增加；圖2右側(cè)曲線為采用水基淬火介質(zhì)作為淬火液，工件（零件）產(chǎn)生的變形量，工件變形量隨著溫度的增加而這件減小。

從圖中曲線比較來看，高分子聚合物淬火液對零件淬火后的畸變得到了很好地控制，效果較好，在室溫狀態(tài)下，工件變形可以相差百倍之多；從兩種淬火液曲線單獨(dú)來看，高分子聚合物溶液溫度變化對工件變形的影響程度較??；水基溶液和高分子聚合物溶液在不同溫度下淬火操作后對零件變形的影響呈相反趨

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