铝合金淬火新工艺 84-6.doc

铝合金淬火新工艺 84-6武汉水利电力学院机械系管鄂一、铝合金淬火的意义铝合金的淬火与一般结构钢的淬火意义不同。单一用淬火工序不能使铝合金达到强化的目的。刚刚淬火的铝合金，强度提高很少很少。但铝合金常常采用淬火工艺，其主要意义在于两个方面：一是使它的塑性提高有利于拉伸矫直等精整工作；二是为时效强化作准备工序。淬火加热时将强化相充分溶解，在高速冷却后得到均匀过饱和固溶体，通过人工时效或自然时效，使过饱和固溶体发生分解，从而使铝合金的强度、硬度大幅度提高。淬火是时效强化前不可缺少的前置工序。铝合金根据其成份可分为热处理可强化铝合金以及热处理不可强化铝合金。下列五类铝合金均可通过淬火时效处理实现强化：Al-Cu-Mg系硬铝合金，如LY11、LY12、LY6、LY2等；Al-Mg-Si-Cu系锻铝合金，如LD2、LD5、LD10等；Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金，LC4、LC5、LC9等；Al-Cu-Mn系耐热铝合金，如LY17等；Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金，如LD7、LD8、LD9等。二、铝合金淬火加热规范的选择铝合金淬火加热规范选择正确与否对淬火质量和时效后强化效果以及抗腐蚀性等都有密切关系。加热规范主要包括以下内容：图1铝合金淬火温度对其淬火时效后机械性能的影响)铝合金淬火温度与合金成份的关系；b)硬铝在淬火一时效后机械性能与淬t共晶共晶温度，t淬淬火温度火温度的关系。延伸率与淬火温度的关系曲线；b强度与淬火温度的关系曲线。 1.淬火温度铝合金淬火温度选择相当严格。从铝的二元合金相图(图1)看出：高合金硬铝(化学成份I-I)固溶线与共晶线十分接近，因此淬火温度选择范围很窄。超过共晶熔化温度就引起过烧，铝合金过烧将导致局部熔化和氧化，对零件耐腐蚀性有较严重影响。时效后强度效果也明显下降；加热温度太低时又可能使合金元素强化相不完全固溶，也影响时效强化效果。(见图1和b)所以淬火温度要严格控制。例如LY12的过烧温度为504，实际淬火温度只能4983；LC4的淬火温度在470-475之间，490则有严重过烧。 2.保温时间与淬火转移时间加热后的铝合金保温足够的时间主要是使强化相充分溶解，提高时效强化效果，而强化相溶解速度与加热温度、加热条件以及工件材质、成份、形状、大小有关。保温时间不足，强化相溶解不充分，时效强化效果不好；保温时间太长，尤其加热温度偏高，容易引起过烧。一般应根据工件厚度按手册规范选取。保温后从炉内取出，到淬入淬火介质的时间叫淬火转移时间。当转移时间过长时，工件温度下降很快，过饱和固溶体局部分解，淬火时效强化效果降低，处理后防腐蚀性能也明显下降。因此一般规范建议淬火转移时间越短越好。严格的加热规范是淬火新工艺实现的重要工序保证。三、铝合金的淬火新工艺目前，铝合金的常规淬火是水淬。效果不好。往往出现严重变形和裂绞，或者淬火后时效强度低，耐腐蚀性差。为了解决上述工艺问题，国内外一直在探索新的淬火工艺。新淬火工艺主要是采用新的淬火冷却方式。归纳起来有以下几种： 1.水温调节淬火图2热水淬火装置与热水温度对淬火冷却性能的影响。)热水淬火装置及温度调节系统1-热水槽；2-加热器；3-热电偶；4-温度调节器。b)不同温度下在1/2英寸7050铝板中心处测得的冷却曲线。曲线上数字为热水温度(华氏F)。业已判明，水的淬火冷却特性与水温有关。(见图2b)淬火工件的冷却速度随水温的升高而降低。常温下的水，冷却能力大，最大冷却速度可达750/S以上，冷却太快，工件内部产生较大的内应力导致淬火变形或裂纹出现。在热水中淬火，由于气膜冷却阶段较长，工件冷却比较缓慢，而且冷却速度随水温的变化可以在较大范围变动。因而可以调节水温的办法来得到接近理想的冷却淬火。控制调节水温的淬火装置如图2所示。对不同材质和厚度的铝合金工件应选择相应的水温。有时也用到沸水淬火。对变形倾向较大的铸、锻铝件均可用调节水温淬火。由于水的热惯性大，水温调节宜采用DDZ组合仪表组成的温度调节系统来调节。这种工艺的缺点是耗能大，水温选择难于准确。一般经试验确定淬火水温。 2.液-气雾化介质淬火液一气雾化介质淬火是喷射淬火的一种，一般的液束喷射冷却淬火，冷却速度较大，冷却烈度可大于浸没冷却淬火。而液气雾化介质冷却淬火，尤其是轻雾喷淬，使工件冷却速度较为平缓，而且可以在较大范围内调节，适应于淬透性较好的合金钢以及不同厚度，对冷却速度有不同要求的铝工件。一般的雾化设备是两套装置组成：一是水压系统，它的喷咀向工件喷射液束，另一系统是空压系统，它的喷气气咀与液束成一定角度，高压气体使液束碎化成雾，形成液气雾联合喷在灼热工件表面，因为水压、气压；使雾滴以一定速度喷射在工件上，几乎不大可能出现明显的气膜冷却-泡沸腾冷却-对流冷却三个阶段，使整个冷却温度范围内摆脱不均匀冷却的状况，使淬火避免变形与淬裂。喷雾淬火最主要的工艺参数有：喷水压力与流量、气压及气流量，喷射的均匀度。一般情况下，水压与水流量大而气压及气流量小时，雾粒大，冷却烈度(H)大；当液束压力较小，流量也小，而气压、气流量大时，雾粒较细，冷却烈度较小。此外喷咀与工件间的距离也是重要工艺参数。喷咀距离及分布情况也影响冷却烈度和冷却的均匀程度。一般生产应用上，生产前可进行试验鉴定后选择工艺参数。对铝合金淬火，无论是液束喷射或轻雾喷射，要防止工件变形，均匀喷射至关重要。对园柱体工件，可以在一般有旋转工作台的淬火机床上淬火，工件旋转有利于冷却均匀，防止工件变形。平板型工作，则应竖立对称均匀喷淬。雾化的介质可以用水，也可以用聚合物水溶液。资料9提供了省去一套气压系统的雾化设备，只用单一的水压系统，用特制的一种简单喷咀就可以使液体雾化，实现雾喷淬火，可供参考。 3.聚合物淬火如上所述，冷水淬火，对很多铝合金来说冷速太快，易引起内应力变形。用热水、沸水淬火，温度难以掌握好，且耗能太大。采用聚合物的水溶液淬火将克服上述两种介质淬火的缺点，是一种很有前途的淬火新工艺。应用于钢淬火的聚合物水溶液或混合溶液已近20种。其中聚乙稀醇、聚醚、聚氧化乙稀的水溶液已开始应用于铝合金的淬火工艺中。聚醚一类的有机物水溶液作为淬火介质很重要的原因是利用它的逆溶性。当灼热工件淬入介质时，工件周围的液温剧烈上升，聚醚从水中析出，介质混浊、粘度上升，并在工件表面形成连续均匀的薄膜，随着工件的冷却，膜又逐渐溶解，使工件低温时加快冷却，这样使工件在高温和低温时都具有比较均匀的冷却速度，从而减少工件由于冷却不均匀而造成变形开裂现象。对于那些厚度不匀，结构复杂的工件，由于这种冷却自调节过程都可使其各部趋近均匀冷却防止变形。一般聚合物的冷却特性与其在水中的浓度有关。浓度大，冷却速度缓慢；浓度小，冷却速度快。(见图3)调节浓度，可以调节聚合物水溶液的冷却特性，以适应大小与厚度不同的工件淬火。图3不同浓度的聚醚水溶液与20、70水冷却特性的比较考察铝合金加热到淬火温度在不同浓度的聚醚中冷却表明，8%40%浓度的水溶液的冷却速度在冷水与沸水之间，而且冷速均匀。在400250之间有足够的冷速保证不发生溶解相的析出，同时也不超过太大的冷却速度使铝合金增加内应力和变形。实践证明聚合物水溶液用于铝合金淬火，效果很好，变形比水淬小，时效后强度也很高，耐腐蚀性不会降低。下表1是聚醚(Ucon)和聚氧乙稀用于铝合金淬火的工艺实例。4.固气流态化介质淬火图4流化床及其淬火冷却特性)流化床结构简图1-淬火槽；2-水壁；3-孔板与风帽；4-气腔；5-固气流态化淬火介质。b)液化床冷却特性与聚醚80水及20水冷却特性的比较。固一气流态化介质是一种固体细粒(如石墨或氧化铝等)在压缩气体作用下，以一定方式形成的一种具有某些液相性能的假液状态的介质。形成固气流态化介质的装置称为流化床。(见图4)容器1内装有固态细粒，容器底部是一个能透气的孔板，板的上面有一风帽。最底层是气腔4。压缩空气由气孔进入空腔，穿过孔板与风帽3进入淬火槽。当气体压力较小，气流速度较低，槽内固体粒子处于静止状态；当气体压力增大并超过一定流速，固体粒子被托起，在槽内上下运动，翻滚沉浮，形成类似液体沸腾状态，此时呈现一定的液相性能。这种具有液相性能的介质称为固-气流态化介质。也称“沸腾层”或“假液”。用这种固-气流态化介质作为冷却介质的淬火也称“流化床淬火”。固-气流态化介质具有良好的冷却性能。冷却能力由其最大传热系数表示：m=0.548gds-0.4-0.4rs0.2rg0.2式中：m-固气流态化介质最大传热系数；g-气体的导热系数-气体的粘度系数；rg-气体的重度；ds-固体粒子的粒度，(尺寸大小)从上式看出，固体粒子越细，重度越大，则介质的冷却能力越大；气体粘度愈小，流速越大，介质冷却能力也越大。然而气体流速有一个保证介质流态化的最佳值，调节范围有限。氢气、氮气的粘度很小，如用氢气或氮气来冷却，可以强化介质的冷却能力。对氧化铝砂粒(粒度=0.2毫米)，流量为1.9米3/小时的空气形成的流化床，用铝试件进行冷却特性的测定的结果表明：