鋁合金擠壓制品在線熱處理技術(shù)

茍 昕

青海國鑫鋁業(yè)股份有限公司，青海西寧 810000

在研發(fā)生產(chǎn)高幾何精度、高表面質(zhì)量、高力學性能的大型復(fù)雜截面鋁型材過程中，經(jīng)常會受到在線淬火工藝技術(shù)水平的制約，而合金性能與淬火冷卻速率有著密切的關(guān)系。在制定淬火工藝制度時，必須考慮淬火速率、淬火應(yīng)力及淬火敏感性等因素，可以利用并分析合金的TTP曲線來制定鋁合金的在線淬火工藝。

1 鋁合金擠壓制品在線熱處理原理分析

有關(guān)文獻研究表明：6082、6061、6063A、6063鋁合金曲線的“鼻尖”溫度分別為340、350、375、360℃，其淬火敏感溫度區(qū)間分別為225～445℃、230～440℃、265～450℃、295～415℃。4種鋁合金的淬火敏感性變化規(guī)律較為相似，中溫區(qū)淬火敏感性最高，高溫區(qū)淬火敏感性最低，低溫區(qū)淬火敏感性介于二者之間；四種鋁合金的淬火敏感性大小順序：6082＞6061＞6063A＞6063鋁合金。

6082合金和6061合金在“鼻尖”溫度附近等溫時，隨著等溫時間的延長，合金淬火時效后的組織由強化效果顯著的GPⅠ區(qū)和GP區(qū)Ⅱ（亞穩(wěn)相）逐漸演變成強化效果較弱的亞穩(wěn)相β'和平衡相β，導(dǎo)致合金的硬度下降；6061鋁合金在淬火敏感溫度區(qū)間230～440℃的冷卻速率應(yīng)在8.6℃左右；而6082鋁合金在淬火敏感溫度區(qū)間225～445℃的冷卻速率應(yīng)在10.2℃左右[1]。

鋁非?；顫?，幾乎和所有的氣體發(fā)生反應(yīng)。除了惰性氣體，鋁合金熔煉過程的正確與否直接關(guān)系到熔體質(zhì)量的好壞，金屬的吸氣則會使鑄錠在凝固過程中來不及或不能逸出。鋁合金在整個熔煉過程中，爐料受熱而開始熔化，造成鑄錠的內(nèi)部組織缺陷一經(jīng)反應(yīng)金屬就不能還原，得到了液態(tài)的金屬。在此期間，能夠達到金屬氧化的目的，可能會對其性能造成不利的影響。此時，受到燒損影響的的金屬，會對其合金的化學成分造成不利的影響，并加大了氧化夾渣現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，影響著鋁合金鑄錠的實際應(yīng)用效果，且其中會存在一定的氣孔。在這樣的機制影響下，會降低鋁合金鑄錠，使其實踐中所需的產(chǎn)品加工質(zhì)量缺乏保障。同時，因鋁具有良好的活性，使得其在適宜的熔煉溫度條件下會與水、碳氫化合物等發(fā)生化學反應(yīng)，并通過對連續(xù)熔煉法的科學使用，能夠滿足其熔煉作業(yè)要求。生產(chǎn)實踐中落實鋁合金熔煉作業(yè)時，為了避免鋁合金鑄錠廢品的出現(xiàn)，保持其良好的產(chǎn)品質(zhì)量，則需要縮短鋁合金熔煉中熔體的停留時間，并對其熔煉過程進行嚴格把控，降低鋁合金熔煉中氣孔問題出現(xiàn)的概率。實踐中針對這些情況，需要采取相應(yīng)的措施予以應(yīng)對。

2 鋁合金在線淬火處理技術(shù)應(yīng)用

以6061鋁合金為例進行研究，TTP曲線（見圖1）的鼻尖溫度約為350℃，鼻溫附近的中溫區(qū)合金脫溶轉(zhuǎn)變的孕育期非常短，合金的硬度經(jīng)13s就下降到最大硬度的90%。通過對TTP曲線的深入分析，可知鋁合金在線淬火處理中處于孕育期的合金脫溶轉(zhuǎn)變需要耗費一定的時間。比如，處于溫度較高區(qū)間（465℃）及溫度較低區(qū)間（225℃）時，降最大限度下降到90%時所要花費的時間分別為380s及133s。由此可見，鋁合金在線淬火處理中敏感性最低與最高時分別對應(yīng)的是高溫區(qū)間與中溫區(qū)間，而低溫區(qū)間處于二者之間。

圖1 6061鋁合金TTP曲線

（1）鋁合金的固溶處理(淬火)是使溶質(zhì)原子均勻地洛入鋁基體中，以獲得過飽和的固溶體為后續(xù)的時效作準各。淬火溫度越高冷卻速度越快，淬火后合金的過飽和度就越大，越利于合金在后續(xù)時效過程中的沉淀析出，能夠顯著提升合金的力學性能。然而淬火溫度太高易使鋁合金晶粒粗大，并且可能發(fā)生過燒；淬火冷卻強度過快會導(dǎo)致合金因冷卻不均發(fā)生撓曲變形。對此應(yīng)加強研究鋁合金的TTP曲線中的淬火敏感性區(qū)間，以便設(shè)計合理的淬火工藝與運用相應(yīng)的精密在線淬火技術(shù)來提升合金的性能。為了滿足部分鋁合金制品性能的特殊要求，部分淬火敏感性高的鋁合金制品還需要離線固溶處理。研究指出凡使過飽和空位濃度增加的工藝因素可以加快合金的時效硬化：如7005鋁合金較高的擠壓溫度、較高的擠壓速度、較快的淬火速度以及過大的擠壓比均在一定程度上加快時效過程，使合金過早的產(chǎn)生過時效。

（2）鋁合金制品在時效前會進行預(yù)拉伸以降低淬火過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形，時效前冷變形會縮短到達硬度峰值的時間，同時會降低系鋁合金的強度，這是因為鋁合金對合金強化起重要貢獻，GP區(qū)形成必須依靠空位和溶質(zhì)原子的遷移，而預(yù)變形會提高合金中的位錯密度，使空位逃逸到位錯處，空位數(shù)量減少使GP區(qū)難以形成。同時，鋁合金的中的粗大的平衡相勸相容易在位錯處形核，進一步便合金的強度降低。研究表明預(yù)拉伸變形程度分別為0%、2.3%和3.1%的7050合金，結(jié)果表明，隨變形程度的增加，強度降低，而塑性和斷裂韌性提高。為了改善合金的強度，研究者又研發(fā)了FTMT工藝，該工藝是在合金時效一段時間后再進行變形，然后在進行終時效，通過該工藝能夠有效地提高合金的強度和抗應(yīng)力腐蝕。

（3）時效溫度對合金的沉淀的析出有很大影響，在不同時效溫度下，析出相的臨界形核尺寸、類型、以及聚集長大速度都不相同。當時效溫度較低時，剛開始合金的沉淀相析出較快，合金的時效強化效果明顯，后期析出相的析出以及長大緩慢，低溫時效能夠到較高的強度，但是需要較長的時間才能達到峰時效。隨溫度升高，溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)提高，析出相的沉淀析出的速度增加，同時溫度高更利于過渡相和平衡相的形成。當合金的時效溫度逐漸升高時，合金到達峰值硬度的時間縮短，但是峰值硬度會相應(yīng)的降低。鋁合金在自然時效過程中，合金電導(dǎo)率隨著自然時效時間的延長逐漸降低，而合金的強度逐漸上升最終趨于平穩(wěn)，而在人工時效過程中，由于析出較多的亞穩(wěn)定相和平衡相，電導(dǎo)率一般隨時效時間的延長逐漸上升。因此，對不同的合金的性能要求，選取合適的溫度。

3 實現(xiàn)鋁合金擠壓在線淬火的工藝條件

經(jīng)過擠壓與固熔處理，合金元素在經(jīng)過冷卻之后，獲得了不同的分解析出的數(shù)據(jù)，獲得了令人滿意的性能和組織。為了達到冷卻過程中不產(chǎn)生合金元素的目的，采用擠壓生產(chǎn)線的方式，進行相應(yīng)的技術(shù)處理。例如，快速加熱鍋爐坯料，采用感應(yīng)加熱的方式，直接使用火焰進行加熱爐的噴射，獲得室溫組織狀態(tài)下的合金固溶的結(jié)果。采用在線淬火精密水、霧-氣裝置進行冷卻，通過擠壓在線淬火的方法，使得生產(chǎn)通過制造狀態(tài)的不進行擠壓淬火的能力降低，經(jīng)過張力矯直之后，達到相應(yīng)的技術(shù)標準，按照要去的形狀和尺寸進行偏差的糾錯。均勻處理加熱后的坯料，將冷卻速度加快，使得強化元素保持在固熔的狀態(tài)，采用預(yù)熱的方式，在擠壓的過程中，將熱量進行均勻的轉(zhuǎn)化。擠壓后的鋁合金離開模具，在臨近淬火的時候，冷卻找不到環(huán)境的溫度，防止析出發(fā)生零的析出，將型材放到冷卻裝置中，將固熔的擠壓速度降低，達到模具離開淬火區(qū)域的一定距離之后，降低轉(zhuǎn)移時間。采用噴水霧或者持續(xù)涌流水的方法，引起型材的扭曲變形，獲得需要的固溶合金元素，隨后的張力和矯直作業(yè)，難以進行，導(dǎo)致擠壓機發(fā)生堵塞。此時，要將合金的淬火敏感性降到最低，進行空氣淬火，達到合金的拉伸強度性能，使得合金的墻度提高一定的數(shù)值，顯著增加強化效果，隨著SI量的增加，淬火的敏感性降低，產(chǎn)生過量的SI分量，降低合金的鎂的含量，降低初始突破壓力。在產(chǎn)生較早的融化之前，形成較高的速度的擠壓,防止出現(xiàn)脆性較大的情況。

4 結(jié)語

擠壓在線淬火的鋁合金，淬火的敏感度、固相線的溫度范圍和固熔度線路等，數(shù)值都有嚴格的要求，為了控制住制品的溫度，必須要在固熔的溫度范圍內(nèi)，進行合金的在線淬火的設(shè)定。作為一種先進的生產(chǎn)工藝，鋁合金擠壓在線淬火，工藝流程簡單，生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)成本能夠被大大節(jié)約，在工業(yè)生產(chǎn)中適合廣泛推廣應(yīng)用。

[1] 東莞市鋁美鋁型材有限公司.一種導(dǎo)電鋁排的熱處理工藝：CN201610818077.9[P].2016-12-21.

[2] 李震.含鎂高硅變形鋁合金TTP曲線及其在線淬火工藝研究[D].沈陽：東北大學，2012.