在線淬火技術(shù)在鋁合金擠壓中的應(yīng)用分析

鄒 超，郝先芃

（龍口市叢林鋁材有限公司技術(shù)部，山東 龍口 265705）

在壓力加工方面，擠壓是最為常用的工藝之一；在用途及產(chǎn)量方面，鋁擠壓材（主要包括型、棒、管）始終都是排在鋁軋制材（主要包括條、帶、板）之后的鋁合金材料。從功能、結(jié)構(gòu)以及裝飾等角度來看，鋁擠壓材尤其是鋁合金型材堪稱是“永不衰敗”的原材料。伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展、人民群眾生活水平的日益加強(qiáng)以及現(xiàn)代科技的不斷創(chuàng)新，各式各樣的鋁合金擠壓材料在航天航空、現(xiàn)代汽車、石化能源、電子電器、建筑工程、機(jī)械制造以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域已經(jīng)有大量的運(yùn)用。尤其是在輕量化發(fā)展需求迫切的現(xiàn)代交通行業(yè)，大、中型的鋁合金擠壓型材，在最近幾年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。與此同時(shí)，數(shù)十年來，全球各國(guó)鋁合金擠壓加工型材的發(fā)展方向無外乎以下兩點(diǎn)：第一，大力發(fā)展若干具備各式各樣功能以及性能的、能夠符合各種要求的民用鋁合金材料；第二，積極發(fā)展“高韌、高強(qiáng)”等性能較高的鋁合金材料，以達(dá)到航空、航天等軍事領(lǐng)域以及部分特殊部門的要求。得益于各個(gè)國(guó)家的大力扶持以及學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)界的攜手奮進(jìn)，目前已經(jīng)獲得了較為顯著的成績(jī)，成功研制出大量新型材料及合金，使得鋁合金的生產(chǎn)技術(shù)水平達(dá)到全新的高度。

1 鋁合金擠壓在線淬火的工作機(jī)理

大部分的擠壓鋁合金其實(shí)都是可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的合金，此些合金在擠壓以后通過固溶熱處理以及時(shí)效，就能夠提升強(qiáng)度，得到有用的性能和組織。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金來說，其最主要的特征便是合金元素在固態(tài)鋁當(dāng)中的溶解程度隨著溫度的提升而不斷增加。

固溶熱處理主要包含兩個(gè)階段，分別是固溶處理、冷卻。第一階段是在超過固溶度線溫度的條件下對(duì)材料展開熱處理，從而得到固溶體。比如：Mg2Si含量為1.08%的合金需要在溫度超過500℃的環(huán)境下實(shí)施熱處理，以確保Mg2Si化合物可以全部溶解在固態(tài)鋁當(dāng)中。熱處理過程所需要的時(shí)間是由多種因素共同決定的，例如合金內(nèi)Mg2Si化合物粒子的分布情況、粒子的大小尺寸、熱處理溫度等等。相較于聚集的、粗大的粒子，彌散且細(xì)小的Mg2Si化合物粒子更易溶解；對(duì)于特定形態(tài)的Mg2Si粒子，其溶解程度通常會(huì)隨著溫度的提升而增加。為了確保固溶熱處理過程的完整性，應(yīng)當(dāng)使得高溫環(huán)境下處在固溶狀態(tài)的合金材料可以迅速冷卻至室溫，從而避免Mg2Si的析出， 確保合金元素Si與Mg可以存在于過飽和固溶體當(dāng)中。固溶體的過飽和度，是使得Mg2Si形成分解析出的主要推動(dòng)力，而過飽和程度又會(huì)跟隨溫度的下降而提升；但是，析出環(huán)節(jié)主要決定于溶質(zhì)原子向形核地點(diǎn)的擴(kuò)散，擴(kuò)散速率隨著溫度的下降而下降。在低于固溶度線溫度的環(huán)境下，溫度降低而析出作用加強(qiáng)，為避免出現(xiàn)析出，需要縮減所允許停留的時(shí)間；在某個(gè)中間溫度環(huán)境下，會(huì)形成最強(qiáng)烈的析出作用。

以往的固溶熱處理作業(yè)主要是在離線的、單獨(dú)的淬火加熱爐中完成的，其后出現(xiàn)了浸入水槽中淬火、水霧淬火等形式。此類爐處理形式的設(shè)備操作具備較強(qiáng)的可靠性。實(shí)際上，若固溶熱處理持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，則熱處理作業(yè)以前溶質(zhì)元素析出物的分布情況及大小尺寸對(duì)于產(chǎn)品最后的性能幾乎是沒有任何影響的。在特定環(huán)境下，比如在高溫?cái)D壓成型以后合金元素處在完全固溶的狀態(tài)下，能夠經(jīng)由擠壓在線淬火將固溶熱處理與擠壓過程相互融合，省去單獨(dú)的爐處理環(huán)節(jié)，既有利于減少生產(chǎn)時(shí)間，又有利于減少能源成本和勞動(dòng)力成本。然而，若擠壓效能用作擠壓淬火操作的直接效果有所下降，也就難以發(fā)揮以上效用。所以，解決該問題的重點(diǎn)就是探索可以實(shí)現(xiàn)鋁合金擠壓在線淬火的各類有益要素，滿足鋁合金擠壓在線淬火的各種條件要求。

2 實(shí)現(xiàn)在線淬火的基本條件

在鋁合金擠壓在線淬火過程中，經(jīng)過迅速冷卻將仍處高溫狀態(tài)的固溶組織降低到室溫，產(chǎn)生室溫環(huán)境下的過飽和組織。經(jīng)由人工時(shí)效或者自然時(shí)效，使得過飽和組織內(nèi)的強(qiáng)化相以彌散狀的形式析出，借此獲得更好的強(qiáng)化效果，尤其是可以明顯增強(qiáng)金屬的抗拉性能。合金組織內(nèi)存在強(qiáng)化相，同時(shí)強(qiáng)化相在合金內(nèi)的溶解度隨著溫度的變化而發(fā)生顯著改變的合金，才能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的淬火效果，也就是可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的合金。在線淬火技術(shù)即使具備大量的優(yōu)點(diǎn)，然而因?yàn)槭艿綌D壓過程的影響，造成其也有著很多的缺陷，并非任何可以熱處理強(qiáng)化的合金均可以通過在線淬火而得到更好的強(qiáng)化效果，唯有滿足以下要求的合金材料才可應(yīng)用在線淬火技術(shù)。

2.1 溫度范圍寬

淬火作業(yè)的溫度范圍主要體現(xiàn)在此合金固相線和強(qiáng)化相固溶線間溫度范圍的寬、窄方面，也就是合金自身的淬火敏感性。溫度范圍窄，淬火敏感性高；溫度范圍寬，淬火敏感性低。對(duì)于敏感性比較高的合金，采用在線淬火技術(shù)無法得到較好的強(qiáng)化效果；對(duì)于敏感性比較低的合金，采用在線淬火技術(shù)則可以得到較好的強(qiáng)化效果。

2.2 冷卻速度

所謂“冷卻速度”，主要指的是單位時(shí)間內(nèi)溫度下降的數(shù)值；在線淬火過程的冷卻速度，指的是由高溫冷卻可以維持高溫組織且強(qiáng)化相不會(huì)析出所需要溫度下降速度。各類合金對(duì)于淬火的冷卻速度有著完全不一樣的需求，部分合金在冷卻環(huán)節(jié)并不會(huì)輕易地析出強(qiáng)化相，所需的冷卻速度也非常小，比如6063合金，其淬火環(huán)節(jié)的冷卻速度僅需在1℃/s以上即可；但是部分7xxx系合金所需的冷卻速度大約是300℃/s。如果合金的淬火敏感性比較低，其所需的冷卻速度通常也較低；如果合金的淬火敏感性比較高，其所需的冷卻速度通常也較高。

在線淬火的冷卻速度不僅和合金自身的特性相關(guān)，而且還和制品的形狀、尺寸等因素相關(guān)。因?yàn)楸”诤辖鸬臏囟冉档洼^快，所以其所需要的冷卻速度也比較低；厚壁合金因?yàn)樾静康臒崃侩y以排出，因此所需的冷卻速度比較高。實(shí)心型材通常有著比較大的散熱面積，所需的冷卻速度也就比較低，但是空心型材的散熱面積相對(duì)偏小，空腔當(dāng)中的熱量很難及時(shí)散出，所以所需的冷卻速度比較高。在線淬火設(shè)備可以有效達(dá)到各種冷卻速度的需求，能夠提供各式各樣的冷卻強(qiáng)度組合，然而針對(duì)冷卻速度有較快的需求特別是大棒、大管工業(yè)型材則不宜使用在線淬火技術(shù)。

2.3 轉(zhuǎn)移時(shí)間

鋁合金擠壓淬火過程中的轉(zhuǎn)移時(shí)間，相較于在線淬火而言指的是合金離開模口到進(jìn)入冷卻區(qū)的這段時(shí)間；相較于離線淬火而言指的是合金離開加熱爐到全部進(jìn)入到水中的這段時(shí)間。在此時(shí)間內(nèi)，合金完全暴露在空氣當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)溫度的驟然下降，時(shí)間越久，溫度也就降低的越多。轉(zhuǎn)移時(shí)間，實(shí)際上也是反映轉(zhuǎn)移速率的高低，最為關(guān)鍵的就是進(jìn)入到冷卻區(qū)當(dāng)中的速率。若進(jìn)入到冷卻區(qū)中的速率低于合金的傳熱速率，其便會(huì)在進(jìn)入到冷卻區(qū)以前由于內(nèi)部金屬傳熱而造成溫度出現(xiàn)較大幅度的降低，在溫度下降到強(qiáng)化相析出溫度時(shí)，淬火冷卻以前已經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)化相的析出，所以會(huì)對(duì)淬火效果產(chǎn)生影響。

3 在線淬火設(shè)備

現(xiàn)階段，要想使得在線淬火技術(shù)能夠高效地應(yīng)用于鋁合金的擠壓作業(yè)，則應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)良的、精密度可以調(diào)控的“水—霧—?dú)狻痹诰€淬火設(shè)備。當(dāng)下，全球各國(guó)經(jīng)常使用的鋁合金擠壓在線淬火設(shè)備主要有如下幾種類型：第一，水霧淬火設(shè)備。該設(shè)備主要是由水槽、管道以及多排水霧噴嘴等部分所構(gòu)成。擠壓工件進(jìn)入到水槽以后再通過多排噴嘴噴出水霧，進(jìn)而完成整個(gè)淬火過程。此設(shè)備主要適合壁的厚度在4mm～8mm范圍內(nèi)、對(duì)淬火冷卻異常敏感的鋁合金加工使用。第二，風(fēng)冷淬火設(shè)備。該設(shè)備主要是由高速風(fēng)機(jī)、管道以及可以調(diào)整流量和角度的高速空氣噴嘴等部分所構(gòu)成。此設(shè)備最初運(yùn)用在小斷面建筑鋁門窗型材的生產(chǎn)過程中，通過數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)累積和工藝革新，現(xiàn)階段已經(jīng)在型材壁厚小于4 mm的Al-Mg-Si系鋁合金的加工過程有著大量的運(yùn)用。第三，噴淋淬火設(shè)備。該設(shè)備主要是由水箱、高壓水泵、管道以及高壓高速噴嘴等部分所構(gòu)成。擠壓工件進(jìn)入到水箱以后從周圍高壓噴水，進(jìn)而完成整個(gè)淬火過程。此設(shè)備主要適合壁厚大約為8mm、對(duì)淬火較為敏感的鋁合金加工使用。第四，水浸(波）式淬火設(shè)備。該設(shè)備主要是由水箱、管道以及水泵等部分所構(gòu)成。擠壓工件在進(jìn)入到水箱后浸在水中，進(jìn)而完成整個(gè)淬火過程。此設(shè)備主要適合壁厚大于8mm、對(duì)淬火冷卻較為敏感的鋁合金型材加工使用。

4 結(jié)語

綜上所述，在線淬火技術(shù)是當(dāng)前比較先進(jìn)的鋁合金擠壓技術(shù)，能夠大幅縮減工序、減少工藝流程，大大加強(qiáng)生產(chǎn)效率、縮減生產(chǎn)周期，同時(shí)還可以在很大程度上減少生產(chǎn)成本，具備極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，對(duì)鋁擠壓在線淬火有所影響的因素有很多，因此要想實(shí)現(xiàn)在線淬火技術(shù)在鋁合金擠壓過程中的有效應(yīng)用，則應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：第一，良好的鑄錠且完全均勻化處理；第二，良好的鋁合金擠壓以及成分優(yōu)化；第三，嚴(yán)格把控鋁合金擠壓作業(yè)時(shí)加熱和溫度—速度條件；第四，錠坯的適當(dāng)預(yù)熱；第五，精密度可以控制的“水—霧—?dú)狻痹诰€淬火設(shè)備；第六，改善淬火機(jī)制以及控制淬火冷卻的速率。