6061鋁合金瓶體固溶處理時冷卻過程分析及工藝優(yōu)化

謝洪波

(上海氦格復合材料科技有限公司，上海 201315)

6061鋁合金瓶體固溶處理時冷卻過程分析及工藝優(yōu)化

謝洪波

(上海氦格復合材料科技有限公司，上海 201315)

摘要：以6061鋁合金復合氣瓶內(nèi)膽的固溶處理為例，分析其冷卻過程，指導優(yōu)化固溶處理工藝，并對瓶體的物理檢測提出建議。

關鍵詞：Al-Mg-Si合金；瓶體；固溶處理；冷卻方式

引 言

固溶時效處理是提高6061鋁合金強度的有效手段。目前對6061鋁合金板材和擠壓棒材的固溶時效工藝研究較多，通常也是通過參考相關的研究成果來制定6061鋁合金內(nèi)膽的固溶時效工藝。

但是鋁合金瓶體具有壁薄口小中空結(jié)構(gòu)，固溶處理時冷卻過程不同于鋁合金板材，直接引用板材的固溶工藝往往達不到理想的結(jié)果。

本文以6061鋁合金復合氣瓶內(nèi)膽的固溶處理為例，分析其冷卻過程，指導優(yōu)化固溶處理工藝。

1 鋁合金內(nèi)膽的制造工藝過程

內(nèi)膽的外形如圖1所示。內(nèi)膽由6061鋁合金板材通過塑性加工而成，加工成型工藝過程為：鋁板→剪圓→瓶坯拉伸→退火→瓶坯成型→齊口→收口(含銑孔)→固溶處理→時效處理→螺紋加工。

瓶體肩部和底部為半橢球體，肩部和底部的壁厚約為筒體壁厚的2倍。

圖1 氣瓶內(nèi)膽示意圖

2 固溶處理原理及常用工藝

鋁合金中的合金元素溶于鋁形成以鋁為基的固溶體α(Al)，它們的溶解度隨溫度升高而增大。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，這種操作稱之為固溶處理，也稱為淬火。

固溶處理的加熱及保溫過程，目的在于使強化相充分溶解于固溶體中和使固溶體均勻化。冷卻過程目的在于獲得過飽和固溶體，改善鋁合金的韌性和塑性，并為隨后的時效處理提供組織準備。時效過程就是脫溶沉淀過程，從過飽和固溶體中析出包括GP區(qū)在內(nèi)的各種過渡相或平衡的次生相，產(chǎn)生沉淀強化，可使鋁合金的強度和硬度大幅度提高。

有人以直徑為16 mm的6061鋁合金擠壓棒材為研究對象，得出適宜的固溶-時效制度為535 ℃，50 min固溶，水淬，180 ℃，6 h時效[1]。有人以4 mm厚鋁合金板材為研究對象，得出最佳固溶工藝為565 ℃，40 min[2]。

3 鋁合金瓶體固溶處理時的冷卻過程分析

常用的鋁合金立式固溶爐，加熱爐置于上部，爐門安裝在爐底，爐門下部為淬火槽。

固溶處理加熱和冷卻時，瓶體瓶口朝下垂直放置在不銹鋼制作的料框內(nèi)。根據(jù)固溶爐、淬火槽以及瓶體的大小，料框可以考慮單層或多層裝料。

瓶口朝下垂直裝框，出于以下考慮：

(1)固溶后，瓶內(nèi)冷卻水可以自動流出；

(2)瓶體沿對稱軸(縱軸)方向垂直入水，同一橫截面圓周產(chǎn)生的應力趨于均勻；

(3)瓶體沿對稱軸(縱軸)方向垂直入水，同一橫截面圓周冷卻條件相同，軸向?qū)ΨQ面的性能相近。

板材固溶處理時一般也是垂直入水，但是瓶體具有壁薄口小中空的結(jié)構(gòu)特征，其入水冷卻過程有明顯不同于板材的特點。

板材是大平面實心結(jié)構(gòu)，冷卻時熱量幾乎全部通過材料兩個外表面散失。瓶體是中空結(jié)構(gòu)，入水冷卻時瓶內(nèi)有高溫氣體，瓶口開孔小(固溶時瓶口未加工螺紋)，一般小于Φ16 mm，而且入水時瓶內(nèi)氣壓只是略小于瓶口水面壓強，故冷卻水進入瓶內(nèi)速度較慢。瓶體及瓶內(nèi)高溫氣體的熱量在冷卻開始時主要是通過壁厚從瓶體的外表面散失。

固溶冷卻時，板材及瓶體的散熱示意圖如圖2所示。

圖2 板材及瓶體散熱示意圖

冷卻時，隨著瓶內(nèi)氣體溫度降低，為保持氣壓穩(wěn)定時氣體體積會減小，以及隨著冷卻時間增長，由瓶口進入瓶內(nèi)的冷卻水會增加。但是，即使冷卻到室溫，瓶內(nèi)仍會存在很多氣體，冷卻水并不能灌滿瓶內(nèi)腔。

下面估算瓶內(nèi)空氣體積占瓶體容積的比例：

設瓶體容積為V0，固溶溫度為540 ℃。入水前瓶內(nèi)氣壓P0可視為1個大氣壓，氣體的絕對溫度T0為(540+273)K。在水槽內(nèi)冷卻到30 ℃，此時瓶內(nèi)氣體的絕對溫度T1為(30+273)K，體積為V1，氣壓P1等于1個大氣壓加上水深產(chǎn)生的壓力。

因為 1個大氣壓等于10.3 m水柱高，設瓶內(nèi)水面深1 m，P1則等于1.1個大氣壓。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

PV/T=常量

則

P1V1/T1=P0V0/T0

計算可得，V1/V0=34%。

由此可見，瓶體冷卻中，隨溫度降低，瓶內(nèi)氣體體積減少至V1，最后仍約為瓶體容積的34%，聚集在內(nèi)腔底部?？梢哉J為瓶體下半部很多內(nèi)壁在冷卻過程中沒有沾碰到冷卻水。

由于瓶體內(nèi)存在高溫氣體以及氣體的導熱性能遠低于金屬材料和水，而且一方面冷卻水不容易通過瓶口進入瓶內(nèi)，另一方面進入瓶內(nèi)的冷卻水升溫后又難以通過瓶口流出進行熱交換。在同樣的冷卻條件下，瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。

由于瓶體頸部和肩部先垂直入水，又瓶體肩部通過瓶口可以逐步進入冷卻水，瓶體底部內(nèi)腔始終保持有氣體空間，一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

4 鋁合金瓶體固溶處理工藝的優(yōu)化

鑒于瓶體固溶處理冷卻過程存在以上特點，為達到固溶處理效果，減弱瓶體冷卻速度較低的不利影響，需要考慮優(yōu)化固溶處理工藝。

4.1 固溶溫度

合金固溶溫度越高，在淬火過程中固定下來的固溶體晶格中空位的濃度越大，則固溶體的分解速度及硬化效果都將增大[3]。

一般固溶溫度越高，能使強化相更大限度溶入固溶體，但溫度過高會引起晶粒粗大，甚至發(fā)生過燒。

圖3 Al-Mg-Si三元相圖

6061材料屬Al-Mg-Si系合金，相圖如圖3所示[3]。在Al-Mg-Si三元系中，Mg2Si為穩(wěn)定化合物，與鋁構(gòu)成偽二元系。α(Al)-Mg2Si之間偽二元相圖如圖4所示[3]，Mg2Si在α(Al)中的固溶度隨溫度下降有明顯變化，共晶溫度為595 ℃。此外，在圖3中當Si含量較高或存在Si偏析時，會出現(xiàn)α(Al)+Mg2Si+Si三元共晶系，共晶溫度為558 ℃。

圖4 Al-Mg2Si偽二元相圖

為防止低溶點共晶體在加熱時熔化(即出現(xiàn)過燒)以及晶粒過分長大，6061鋁合金的固溶溫度不是越高越好，一般采用540～545 ℃。

固溶溫度530 ℃以下，固溶不充分；固溶溫度550 ℃以上，晶粒易粗大，晶粒度達1～3級；固溶溫度560 ℃以上，容易出現(xiàn)過燒。

4.2 淬火轉(zhuǎn)移時間

工件從加熱爐至淬火槽中所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)移時間應盡量減少，轉(zhuǎn)移時間過長，過飽和固溶體將在轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生分解。

一般規(guī)定，鋁合金厚度小于4 mm時，淬火轉(zhuǎn)移時間不得超過30 s，當成批工件同時淬火的數(shù)量增多時，轉(zhuǎn)移時間可增長[4]。

實際工作中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移時間控制30 s，瓶體固溶效果并不滿意，應該縮短轉(zhuǎn)移時間。采用鋁合金立式固熔爐，可以控制轉(zhuǎn)移時間為10 s。

4.3 水溫控制

6061鋁合金最常用的淬火介質(zhì)是水。水的淬火冷卻特性與水溫有關，冷卻速度隨水溫升高而降低。水溫過低，工件在淬火時產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，易導致變形或開裂。故在實際生產(chǎn)中冷卻水的溫度一般保持在10～35 ℃。

冷卻能力對水溫的變化很敏感?？刂评鋮s水的初始溫度容易實現(xiàn)，但熱工件浸入水中，水溫會瞬時升高。為了保持水溫：一是淬火槽要有足夠的容量，一般應為瓶體總?cè)莘e的10倍以上，還要考慮料框的體積和散熱。如果淬火槽容量不夠大，應減少裝爐量;二是淬火槽應有冷卻水循環(huán)和攪拌裝置。一方面，用泵不停地以一定流量從槽體下部抽進冷水，讓熱水從水槽上部的管道流出，促使淬火槽內(nèi)水的流動和更換;另一方面，通過攪拌裝置增加水的流動速度，控制水的流動方向，使淬火槽內(nèi)水溫均勻，有效提高水的冷卻能力，改善淬火效果。三是冷卻過程中應時常上下抖動料框，不僅可以促使槽內(nèi)水的流動和熱交換，更重要的作用是可使瓶內(nèi)氣體逸出和瓶內(nèi)熱水流出，改善瓶壁的冷卻條件。

高溫瓶體入水，水會被汽化而在瓶體表面形成蒸汽膜，蒸汽膜的導熱性較差，使冷卻速度降低。水的循環(huán)流動和料框的抖動，也可以促進蒸汽膜的提早破裂，提高冷卻能力。

淬火槽如果安裝有溫度顯示裝置，更有利于實時了解水溫，更能保證有效控制水溫。

實踐表明，水溫初始溫度15～30 ℃，淬火后水槽溫度不超過35 ℃時，6061鋁合金瓶體淬火效果較好。

4.4 冷卻時間

當瓶體溫度冷卻到50 ℃以下，就可以將料框吊離水槽，這時瓶體上水分有冒熱氣，基本能自行揮發(fā)干，而瓶體又不至于燙手。

瓶體壁厚很小，一般只有幾毫米，對冷卻時間影響不大。冷卻時間主要取決于冷卻速度，冷卻速度大，則冷卻時間小。但要說明的是，當冷卻速度低于臨界值，即使長時間增加冷卻時間，也不能提高淬火效果。

在8 m3的淬火槽中，一次裝框100只容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體，固溶冷卻時間一般為3～4 min，視情況可以適當延長。雖然瓶壁較薄，但瓶體內(nèi)的高溫氣體冷卻速度慢，瓶體淬火冷卻時間應大于同厚度的板材。

冷卻時間不夠，造成瓶體余溫高，固溶效果不佳；冷卻時間過長，沒有實際意義。

5 固溶工藝優(yōu)化前后之性能比較

以設計壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金內(nèi)膽的固溶時效為例。初始工藝和改進工藝如表1所示。

表1 初始工藝和改進工藝對比

按初始工藝處理和改進工藝處理，瓶體力學性能分別如表2，3所示。

表2 瓶體力學性能(初始工藝)

表3 瓶體力學性能(改進工藝)

從表2和表3的數(shù)據(jù)看，改進工藝后強度有明顯提高，塑性沒有降低。

要注意的是，熱處理后的力學性能是固溶溫度、保溫時間、轉(zhuǎn)移速度、水溫、淬火方式、冷卻時間等多種因素共同作用的結(jié)果，審視和優(yōu)化熱處理工藝時應考慮各因素的影響。

6 鋁合金瓶體的物理檢測

鋁合金瓶體的物理檢測包括力學性能測試(硬度、Rm,Rp0.2,A)和金相檢查(過燒)。

瓶體只有在固溶并時效處理后才能獲得最佳的力學性能，故在瓶體固溶后就測試力學性能沒有意義，應在時效完成后進行。前面已分析過，在實際使用時筒體是瓶體的薄弱部位，固溶時效后應在筒體上測試力學性能。

由于瓶肩先入水冷卻，而且瓶體內(nèi)腔存在高溫氣體，容易造成瓶肩的冷卻速度大、瓶底的冷卻速度小，致使瓶體的上、中、下部位的性能存在差距，當淬火槽內(nèi)水的流動性差時，這種性能差距更明顯。一般筒體上部(近肩部)硬度高、下部(近底部)硬度低，從而上部的強度高、塑性小，下部的強度低、塑性大。

6.1 力學性能測試

鋁合金瓶體壁薄中空硬度低，選擇合適的硬度測試方法很關鍵，既要保證測量結(jié)果準確，還要瓶體外形尺寸受壓不變、壓痕小、效率高。一般常選用HV1,HV5，HBW1/10，HRB或表面洛氏硬度。里氏硬度雖然操作簡單、壓痕小、效率高，但不適用，測量誤差很大。

硬度應在筒體的上、中、下3個部位檢測。如果硬度壓痕很明顯，應打磨，并保證瓶體的最小壁厚。

拉伸試樣(測強度Rm，Rp0.2和斷后伸長率A)應在筒體的中部沿縱向取樣，尺寸要符合相關標準規(guī)定，以保證測量數(shù)據(jù)的可比較性。

6.2 金相檢查

金相要檢查的組織過燒情況，一般取決于原始組織、固溶溫度和固溶保溫時間，與冷卻過程和時效過程無關。

考慮到瓶體熱旋收口時也容易因加熱溫度高而生產(chǎn)過燒，金相取樣一般在瓶肩靠近瓶頸處取樣。如果要確定過燒是由于固溶溫度過高或保溫時間過長造成，則應在筒體取樣。

還有可能因為溫度儀表故障或者熱處理爐內(nèi)局部實際溫度偏高造成過燒，并不是固溶工藝不合理造成的。因此發(fā)現(xiàn)過燒，要從熱加工過程、固溶工藝、熱處理設備等多方面分析原因，找出真正的原因，不要一味來調(diào)整固溶工藝。

7 結(jié) 論

(1)由于瓶體存在口小中空結(jié)構(gòu)，淬火時在同樣的冷卻條件下，瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。由于瓶體頸部和肩部先垂直入水，又瓶體底部內(nèi)腔始終保持有氣體空間，一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

(2)考慮到瓶體冷卻過程中的特點，可以通過調(diào)整固溶溫度、轉(zhuǎn)移時間、水溫、冷卻時間來優(yōu)化固溶工藝。設計壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體，推薦固溶溫度540～545 ℃、保溫70 min、轉(zhuǎn)移時間10 s 、水溫15～30 ℃、冷卻時間3～4 min。

(3)對固溶時效后瓶體進行物理檢測時，由于筒體各部位冷卻速度差距，致使瓶體的上、中、下部位的性能也可能存在差距。此外，熱加工過程、固溶工藝、熱處理設備等都有可能造成過燒，要多方面進行原因分析。

參考文獻：

[1] 項勝前，周春榮，郭加林，等.固溶-時效對6061鋁合金擠壓棒材組織和性能的影響[J].輕合金加工技術，2011，39(4)：31—35.

[2] 李慎蘭，黃志其，蔣福利，等.固溶溫度對6061鋁合金組織和性能的影響[J].材料熱處理學報，2013，34(5)：131—135.

[3] 張寶昌.有色金屬及其熱處理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1993.

[4] 中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊[M]. 第四版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

收稿日期：2018-01-26

作者簡介：謝洪波(1971—)，男，工程師。電話：15852662030；E-mail：jxxhbydx@sina.com

中圖分類號：TG146.21；TG156.92