茍 昕

青海國(guó)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(xué)性能的大型復(fù)雜截面鋁型材過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)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(shí)，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(lái)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(xiàn)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(shí)，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金淬火時(shí)效后的組織由強(qiáng)化效果顯著的GPⅠ區(qū)和GP區(qū)Ⅱ（亞穩(wěn)相）逐漸演變成強(qiáng)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]。

鋁非常活潑，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(guò)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(huì)使鑄錠在凝固過(guò)程中來(lái)不及或不能逸出。鋁合金在整個(gè)熔煉過(guò)程中，爐料受熱而開(kāi)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(dá)到金屬氧化的目的，可能會(huì)對(duì)其性能造成不利的影響。此時(shí)，受到燒損影響的的金屬，會(huì)對(duì)其合金的化學(xué)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(shí)際應(yīng)用效果，且其中會(huì)存在一定的氣孔。在這樣的機(jī)制影響下，會(huì)降低鋁合金鑄錠，使其實(shí)踐中所需的產(chǎn)品加工質(zhì)量缺乏保障。同時(shí)，因鋁具有良好的活性，使得其在適宜的熔煉溫度條件下會(huì)與水、碳?xì)浠衔锏劝l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并通過(guò)對(duì)連續(xù)熔煉法的科學(xué)使用，能夠滿足其熔煉作業(yè)要求。生產(chǎn)實(shí)踐中落實(shí)鋁合金熔煉作業(yè)時(shí)，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(shí)間，并對(duì)其熔煉過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格把控，降低鋁合金熔煉中氣孔問(wèn)題出現(xiàn)的概率。實(shí)踐中針對(duì)這些情況，需要采取相應(yīng)的措施予以應(yīng)對(duì)。

2 鋁合金在線淬火處理技術(shù)應(yīng)用

以6061鋁合金為例進(jìn)行研究，TTP曲線（見(jiàn)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(guò)對(duì)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(fèi)一定的時(shí)間。比如，處于溫度較高區(qū)間（465℃）及溫度較低區(qū)間（225℃）時(shí)，降最大限度下降到90%時(shí)所要花費(fèi)的時(shí)間分別為380s及133s。由此可見(jiàn)，鋁合金在線淬火處理中敏感性最低與最高時(shí)分別對(duì)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(guò)飽和的固溶體為后續(xù)的時(shí)效作準(zhǔn)各。淬火溫度越高冷卻速度越快，淬火后合金的過(guò)飽和度就越大，越利于合金在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中的沉淀析出，能夠顯著提升合金的力學(xué)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(guò)燒；淬火冷卻強(qiáng)度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致合金因冷卻不均發(fā)生撓曲變形。對(duì)此應(yīng)加強(qiáng)研究鋁合金的TTP曲線中的淬火敏感性區(qū)間，以便設(shè)計(jì)合理的淬火工藝與運(yùn)用相應(yīng)的精密在線淬火技術(shù)來(lái)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(guò)飽和空位濃度增加的工藝因素可以加快合金的時(shí)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(guò)大的擠壓比均在一定程度上加快時(shí)效過(guò)程，使合金過(guò)早的產(chǎn)生過(guò)時(shí)效。

（2）鋁合金制品在時(shí)效前會(huì)進(jìn)行預(yù)拉伸以降低淬火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形，時(shí)效前冷變形會(huì)縮短到達(dá)硬度峰值的時(shí)間，同時(shí)會(huì)降低系鋁合金的強(qiáng)度，這是因?yàn)殇X合金對(duì)合金強(qiáng)化起重要貢獻(xiàn)，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(huì)提高合金中的位錯(cuò)密度，使空位逃逸到位錯(cuò)處，空位數(shù)量減少使GP區(qū)難以形成。同時(shí)，鋁合金的中的粗大的平衡相勸相容易在位錯(cuò)處形核，進(jìn)一步便合金的強(qiáng)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(qiáng)度降低，而塑性和斷裂韌性提高。為了改善合金的強(qiáng)度，研究者又研發(fā)了FTMT工藝，該工藝是在合金時(shí)效一段時(shí)間后再進(jìn)行變形，然后在進(jìn)行終時(shí)效，通過(guò)該工藝能夠有效地提高合金的強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕。

（3）時(shí)效溫度對(duì)合金的沉淀的析出有很大影響，在不同時(shí)效溫度下，析出相的臨界形核尺寸、類型、以及聚集長(zhǎng)大速度都不相同。當(dāng)時(shí)效溫度較低時(shí)，剛開(kāi)始合金的沉淀相析出較快，合金的時(shí)效強(qiáng)化效果明顯，后期析出相的析出以及長(zhǎng)大緩慢，低溫時(shí)效能夠到較高的強(qiáng)度，但是需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到峰時(shí)效。隨溫度升高，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)提高，析出相的沉淀析出的速度增加，同時(shí)溫度高更利于過(guò)渡相和平衡相的形成。當(dāng)合金的時(shí)效溫度逐漸升高時(shí)，合金到達(dá)峰值硬度的時(shí)間縮短，但是峰值硬度會(huì)相應(yīng)的降低。鋁合金在自然時(shí)效過(guò)程中，合金電導(dǎo)率隨著自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，而合金的強(qiáng)度逐漸上升最終趨于平穩(wěn)，而在人工時(shí)效過(guò)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(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸上升。因此，對(duì)不同的合金的性能要求，選取合適的溫度。

3 實(shí)現(xiàn)鋁合金擠壓在線淬火的工藝條件

經(jīng)過(guò)擠壓與固熔處理，合金元素在經(jīng)過(guò)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(dá)到冷卻過(guò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行冷卻，通過(guò)擠壓在線淬火的方法，使得生產(chǎn)通過(guò)制造狀態(tài)的不進(jìn)行擠壓淬火的能力降低，經(jīng)過(guò)張力矯直之后，達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照要去的形狀和尺寸進(jìn)行偏差的糾錯(cuò)。均勻處理加熱后的坯料，將冷卻速度加快，使得強(qiáng)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(guò)程中，將熱量進(jìn)行均勻的轉(zhuǎn)化。擠壓后的鋁合金離開(kāi)模具，在臨近淬火的時(shí)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(dá)到模具離開(kāi)淬火區(qū)域的一定距離之后，降低轉(zhuǎn)移時(shí)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(jìn)行，導(dǎo)致擠壓機(jī)發(fā)生堵塞。此時(shí)，要將合金的淬火敏感性降到最低，進(jìn)行空氣淬火，達(dá)到合金的拉伸強(qiáng)度性能，使得合金的墻度提高一定的數(shù)值，顯著增加強(qiáng)化效果，隨著SI量的增加，淬火的敏感性降低，產(chǎn)生過(guò)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(yǔ)

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(yán)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(jìn)行合金的在線淬火的設(shè)定。作為一種先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，鋁合金擠壓在線淬火，工藝流程簡(jiǎn)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(yáng)：東北大學(xué)，2012.