鋁合金板帶材固溶、時效處理及其設(shè)備

吳雙鎖

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽471039)

鋁合金作為一種高性能材料，廣泛應(yīng)用在航空航天、交通運輸、建筑裝飾、食品包裝、生活日用品等各行各業(yè)。我國的鋁合金研究與國外相比，不論是基礎(chǔ)理論、工藝技術(shù)，還是技術(shù)裝備水平及其完善程度都有一定的差距。本文從固溶和時效熱處理角度出發(fā)，介紹鋁合金基本固溶和時效熱處理工藝及其主要設(shè)備。

1 固溶熱處理及設(shè)備

1.1 固溶熱處理(淬火)工藝

固溶熱處理是獲得過飽和固溶體的一種方法，它是在一定加熱溫度下將第二相全部或最大限度地溶入固溶體中，保溫一段時間后，以快于第二相自固溶體中析出的速度冷卻，從而獲得過飽和的溶質(zhì)原子和空位。圖1是一個典型的鋁合金二元相圖，成分為C0的合金，室溫平衡組織為α+β。 α為基體固溶體， β為第二相。 合金加熱至Tq時， β相將溶入基體而得到單相的α固溶體。 若溫度降低至T0以下， 固溶體成為過飽和狀態(tài)，超過平衡溶入量的溶質(zhì)就有析出的傾向，在一定的條件下，多余的溶質(zhì)就以β相的形式析出。

圖1 鋁合金的二元相圖

鋁合金固溶處理的加熱溫度一般為460～550 ℃,保溫時間取決于鋁合金的厚度和選用的設(shè)備。

加熱溫度在鋁合金固溶處理工藝中是一個重要的參數(shù)，溫度過高鋁合金中的共晶體(低熔點的機械混合物) 會發(fā)生熔化(過燒) 和導(dǎo)致晶粒粗化(過熱) ;若加熱溫度低于下限,一些強化相不能溶解,影響鋁合金的強度。所以在不產(chǎn)生過燒和過熱的情況下,要盡可能采用較高的固溶溫度,提高固溶體的過飽和度，同時減少了粗大未溶結(jié)晶相，對于提高時效析出程度和改善抗斷裂性能具有積極意義，是提高鋁合金綜合性能的一個有效途徑。精確的控制設(shè)備的加熱溫度及均勻性是固溶熱處理爐的重點。

淬火轉(zhuǎn)移時間也是固溶處理比較關(guān)鍵的工藝參數(shù)，板帶材從加熱爐到進入冷卻介質(zhì)的間隔時間要求比較嚴格,轉(zhuǎn)移時間過長將導(dǎo)致板材溫度下降,發(fā)生部分固溶體分解,析出粗大疏松相,產(chǎn)生組織偏析,從而降低時效強化效果。因此，為了保證合金的性能，應(yīng)盡量縮短淬火轉(zhuǎn)移時間，一般鋁合金工件固溶處理轉(zhuǎn)移時間不超過10～20 s。

1.2 固溶熱處理設(shè)備

國內(nèi)鋁合金板帶材固溶處理設(shè)備多為鹽浴爐，鹽浴爐的優(yōu)點是加熱速度快，保溫時間短，均勻性好，其加熱速度是電爐的5～7倍，缺點是安全性差，如果發(fā)生安全事故后果相當(dāng)嚴重。

國外比較先進的鋁合金板帶材固溶熱處理設(shè)備有輥底式淬火爐和氣墊爐，具有淬火均勻性好，板材變形小，安全等優(yōu)點。輥底式固溶熱處理爐一般用于厚度為3～200mm的板材的固溶處理，氣墊爐一般用于厚度為0.2～30mm帶材的固溶處理處理。

輥底式固溶熱處理爐一般包括：上料輥道、加熱段、淬火段、卸料輥道等， EBNER和OTTO JUNKER的輥底式固溶熱處理爐采用天然氣加熱或電加熱，可以處理2～200mm厚的板材，加熱系統(tǒng)和溫度由計算機控制，加熱段爐溫均勻性可以達到±1 ℃，板材溫差控制在±2 ℃。有實驗數(shù)據(jù)表明輥底爐的淬火均勻性優(yōu)于鹽浴爐，通過表1中7B04合金板材在鹽浴爐中淬火和在輥底爐中淬火不平度的對比可以看出這一點。由于輥底爐的淬火轉(zhuǎn)移時間短，所以淬火轉(zhuǎn)移時間對板材的影響也比鹽浴爐小得多，尤其是在淬厚度不大的板材時輥底爐的優(yōu)勢更為明顯。圖2為輥底式固溶熱處理爐。

表1 7B04合金板材在鹽浴爐和輥底爐淬火不平度對比

1.上料輥道，2.加熱段，3.淬火段，4.卸料輥道

氣墊式固溶熱處理爐是一條由淬火爐和精整設(shè)備組合在一起的連續(xù)生產(chǎn)線，一般包括開卷機、切邊機、熱處理爐體、張力矯直機、卷取機等。氣墊式固溶熱處理爐的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高、帶材表面質(zhì)量好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。圖3為氣墊式固溶熱處理爐外形。

圖3 氣墊式固溶熱處理爐

目前，國內(nèi)引進并投產(chǎn)的輥底式固溶熱處理爐有兩臺，一臺由奧地利的EBNER公司設(shè)計制造安裝在東北輕合金有限責(zé)任公司，另一臺由德國的OTTO JUNKER公司設(shè)計制造安裝在西南鋁加工廠，該廠有國內(nèi)第一條氣墊式鋁帶連續(xù)熱處理爐，是由美國Surface公司設(shè)計制造的。近些年國內(nèi)熱處理廠家也開始投入人力物力研制鋁板帶固溶熱處理生產(chǎn)線，國內(nèi)現(xiàn)有引進的鋁板帶固溶熱處理設(shè)備為國內(nèi)熱處理設(shè)備廠家研究提供了一定便利條件，我們期待著國產(chǎn)鋁板帶固溶熱處理生產(chǎn)線早日研制成功。

2 時效處理及設(shè)備

2.1 時效處理工藝

20世紀(jì)初人們發(fā)現(xiàn)鋁合金工件剛淬完火后硬度并不高，和退火后差不多，只有在室溫放置一段時間硬度才逐漸提高，經(jīng)過研究銅鋁合金發(fā)現(xiàn)，過飽和固溶體十分不穩(wěn)定，溶于α為基體中的Cu在室溫下析出CuAl2，使自己處于穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生了無數(shù)的富銅區(qū)(GP區(qū))片狀物，彌散在金屬晶體內(nèi)部，阻礙了滑移，從而提高了合金的機械強度。

時效分為自然時效和人工時效，采用哪種時效方式要根據(jù)合金本性和用途而定。以Al2CuMg和CuAl2為強化相的鋁合金采用自然時效，可以獲得較高的強度，同時也能保持良好的塑性，且自然時效狀態(tài)的耐腐蝕性也明顯優(yōu)于人工時效；但超硬鋁合金一般不采用自然時效，因為該系合金GP區(qū)形成緩慢，自然時效過程往往延續(xù)幾個月也達不到最高強度、相應(yīng)的耐蝕性也差，所以7xxx系超硬鋁合金一般采用人工時效。

需要進行人工時效的鋁合金板帶材主要為：2xxx、7xxx和部分6xxx系合金，人工時效溫度都不高，一般在120～200℃之間，保溫時間一般在4～16小時。

2.2 時效爐

時效爐一般包括：儲料臺、爐體、料車、自動化控制系統(tǒng)等部分。時效爐多采用低溫電加熱的箱式爐，爐溫均勻性是一個比較重要的性能指標(biāo)，國外時效爐的爐溫均勻性可以達到±1℃。國內(nèi)時效爐制造技術(shù)也比較成熟，其技術(shù)性能均能達到工藝要求。生產(chǎn)的廠家比較多，主要有蘇州新長光熱能科技股份有限公司、陜西安中機械等。圖4為板材時效爐外形。

圖4 板材時效爐

3 結(jié)論

隨著鋁合金材料的廣泛應(yīng)用，鋁合金熱處理基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)工藝的不斷研究，對其熱處理設(shè)備的要求也越來也高。國內(nèi)的鋁合金熱處理設(shè)備在近些年發(fā)展較快，設(shè)備水平不斷提高，但是與國外熱處理設(shè)備相比在單位產(chǎn)量能耗、爐溫均勻性和自動化控制等方面還有一定差距，這些是國內(nèi)熱處理設(shè)備廠家需要學(xué)習(xí)提高的地方。

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