在線淬火技術在鋁合金擠壓中的應用分析

鄒 超，郝先芃

（龍口市叢林鋁材有限公司技術部，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、結構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。伴隨社會經濟的迅猛發展、人民群眾生活水平的日益加強以及現代科技的不斷創新，各式各樣的鋁合金擠壓材料在航天航空、現代汽車、石化能源、電子電器、建筑工程、機械制造以及交通運輸等領域已經有大量的運用。尤其是在輕量化發展需求迫切的現代交通行業，大、中型的鋁合金擠壓型材，在最近幾年內得到了迅速的發展。與此同時，數十年來，全球各國鋁合金擠壓加工型材的發展方向無外乎以下兩點：第一，大力發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，積極發展“高韌、高強”等性能較高的鋁合金材料，以達到航空、航天等軍事領域以及部分特殊部門的要求。得益于各個國家的大力扶持以及學術、產業界的攜手奮進，目前已經獲得了較為顯著的成績，成功研制出大量新型材料及合金，使得鋁合金的生產技術水平達到全新的高度。

1 鋁合金擠壓在線淬火的工作機理

大部分的擠壓鋁合金其實都是可以進行熱處理強化的合金，此些合金在擠壓以后通過固溶熱處理以及時效，就能夠提升強度，得到有用的性能和組織。對于可熱處理強化鋁合金來說，其最主要的特征便是合金元素在固態鋁當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℃的環境下實施熱處理，以確保Mg2Si化合物可以全部溶解在固態鋁當中。熱處理過程所需要的時間是由多種因素共同決定的，例如合金內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，彌散且細小的Mg2Si化合物粒子更易溶解；對于特定形態的Mg2Si粒子，其溶解程度通常會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，應當使得高溫環境下處在固溶狀態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中。固溶體的過飽和度，是使得Mg2Si形成分解析出的主要推動力，而過飽和程度又會跟隨溫度的下降而提升；但是，析出環節主要決定于溶質原子向形核地點的擴散，擴散速率隨著溫度的下降而下降。在低于固溶度線溫度的環境下，溫度降低而析出作用加強，為避免出現析出，需要縮減所允許停留的時間；在某個中間溫度環境下，會形成最強烈的析出作用。

以往的固溶熱處理作業主要是在離線的、單獨的淬火加熱爐中完成的，其后出現了浸入水槽中淬火、水霧淬火等形式。此類爐處理形式的設備操作具備較強的可靠性。實際上，若固溶熱處理持續足夠長的時間，則熱處理作業以前溶質元素析出物的分布情況及大小尺寸對于產品最后的性能幾乎是沒有任何影響的。在特定環境下，比如在高溫擠壓成型以后合金元素處在完全固溶的狀態下，能夠經由擠壓在線淬火將固溶熱處理與擠壓過程相互融合，省去單獨的爐處理環節，既有利于減少生產時間，又有利于減少能源成本和勞動力成本。然而，若擠壓效能用作擠壓淬火操作的直接效果有所下降，也就難以發揮以上效用。所以，解決該問題的重點就是探索可以實現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 實現在線淬火的基本條件

在鋁合金擠壓在線淬火過程中，經過迅速冷卻將仍處高溫狀態的固溶組織降低到室溫，產生室溫環境下的過飽和組織。經由人工時效或者自然時效，使得過飽和組織內的強化相以彌散狀的形式析出，借此獲得更好的強化效果，尤其是可以明顯增強金屬的抗拉性能。合金組織內存在強化相，同時強化相在合金內的溶解度隨著溫度的變化而發生顯著改變的合金，才能夠產生更強的淬火效果，也就是可以進行熱處理強化的合金。在線淬火技術即使具備大量的優點，然而因為受到擠壓過程的影響，造成其也有著很多的缺陷，并非任何可以熱處理強化的合金均可以通過在線淬火而得到更好的強化效果，唯有滿足以下要求的合金材料才可應用在線淬火技術。

2.1 溫度范圍寬

淬火作業的溫度范圍主要體現在此合金固相線和強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。對于敏感性比較高的合金，采用在線淬火技術無法得到較好的強化效果；對于敏感性比較低的合金，采用在線淬火技術則可以得到較好的強化效果。

2.2 冷卻速度

所謂“冷卻速度”，主要指的是單位時間內溫度下降的數值；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化相不會析出所需要溫度下降速度。各類合金對于淬火的冷卻速度有著完全不一樣的需求，部分合金在冷卻環節并不會輕易地析出強化相，所需的冷卻速度也非常小，比如6063合金，其淬火環節的冷卻速度僅需在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，而且還和制品的形狀、尺寸等因素相關。因為薄壁合金的溫度降低較快，所以其所需要的冷卻速度也比較低；厚壁合金因為芯部的熱量難以排出，因此所需的冷卻速度比較高。實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偏小，空腔當中的熱量很難及時散出，所以所需的冷卻速度比較高。在線淬火設備可以有效達到各種冷卻速度的需求，能夠提供各式各樣的冷卻強度組合，然而針對冷卻速度有較快的需求特別是大棒、大管工業型材則不宜使用在線淬火技術。

2.3 轉移時間

鋁合金擠壓淬火過程中的轉移時間，相較于在線淬火而言指的是合金離開模口到進入冷卻區的這段時間；相較于離線淬火而言指的是合金離開加熱爐到全部進入到水中的這段時間。在此時間內，合金完全暴露在空氣當中，會出現溫度的驟然下降，時間越久，溫度也就降低的越多。轉移時間，實際上也是反映轉移速率的高低，最為關鍵的就是進入到冷卻區當中的速率。若進入到冷卻區中的速率低于合金的傳熱速率，其便會在進入到冷卻區以前由于內部金屬傳熱而造成溫度出現較大幅度的降低，在溫度下降到強化相析出溫度時，淬火冷卻以前已經出現強化相的析出，所以會對淬火效果產生影響。

3 在線淬火設備

現階段，要想使得在線淬火技術能夠高效地應用于鋁合金的擠壓作業，則應當具備優良的、精密度可以調控的“水—霧—氣”在線淬火設備。當下，全球各國經常使用的鋁合金擠壓在線淬火設備主要有如下幾種類型：第一，水霧淬火設備。該設備主要是由水槽、管道以及多排水霧噴嘴等部分所構成。擠壓工件進入到水槽以后再通過多排噴嘴噴出水霧，進而完成整個淬火過程。此設備主要適合壁的厚度在4mm～8mm范圍內、對淬火冷卻異常敏感的鋁合金加工使用。第二，風冷淬火設備。該設備主要是由高速風機、管道以及可以調整流量和角度的高速空氣噴嘴等部分所構成。此設備最初運用在小斷面建筑鋁門窗型材的生產過程中，通過數十年的經驗累積和工藝革新，現階段已經在型材壁厚小于4 mm的Al-Mg-Si系鋁合金的加工過程有著大量的運用。第三，噴淋淬火設備。該設備主要是由水箱、高壓水泵、管道以及高壓高速噴嘴等部分所構成。擠壓工件進入到水箱以后從周圍高壓噴水，進而完成整個淬火過程。此設備主要適合壁厚大約為8mm、對淬火較為敏感的鋁合金加工使用。第四，水浸(波）式淬火設備。該設備主要是由水箱、管道以及水泵等部分所構成。擠壓工件在進入到水箱后浸在水中，進而完成整個淬火過程。此設備主要適合壁厚大于8mm、對淬火冷卻較為敏感的鋁合金型材加工使用。

4 結語

綜上所述，在線淬火技術是當前比較先進的鋁合金擠壓技術，能夠大幅縮減工序、減少工藝流程，大大加強生產效率、縮減生產周期，同時還可以在很大程度上減少生產成本，具備極高的經濟價值。目前，對鋁擠壓在線淬火有所影響的因素有很多，因此要想實現在線淬火技術在鋁合金擠壓過程中的有效應用，則應達到以下幾點要求：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化；第三，嚴格把控鋁合金擠壓作業時加熱和溫度—速度條件；第四，錠坯的適當預熱；第五，精密度可以控制的“水—霧—氣”在線淬火設備；第六，改善淬火機制以及控制淬火冷卻的速率。