湍流式攪拌在控制圓筒形薄壁鋁合金淬火尺寸變形中的應(yīng)用

南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司(211100)孫清汝

北京控制工程研究所 (100190)許 東 殷寶森

薄壁鋁合金零件化淬火冷卻的過程中極易產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，是熱處理工作者的棘手難題。采用湍流式攪拌裝置調(diào)節(jié)攪拌烈度是提高精密零件加工精度的一種全新熱處理方法。薄壁鋁合金零件采用人工攪拌調(diào)節(jié)進(jìn)行固溶處理后攪拌烈度不均，易造成零件尺寸畸變的問題一直是制約生產(chǎn)加工的“瓶頸”。通過對薄壁鋁合金零件采用湍流式攪拌裝置進(jìn)行固溶處理后，有效地改善了攪拌烈度，避免了固溶后出現(xiàn)的較大變形傾向，最終不僅達(dá)到淬火工件硬度、組織趨于均勻的目的，又能減輕工人勞動強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，延長了精密零件的使用壽命。

1.技術(shù)要求

4mm圓筒形薄壁鋁合金零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，原材料為2A12H112，最終的使用狀態(tài)為2A12T4。

從性能及尺寸測量數(shù)據(jù)看，2A12H112合金薄壁零件采用湍流式攪拌固溶處理后對零件的常規(guī)力學(xué)性能、金相組織以及變形量的影響都較小，提高了2A12合金薄壁零件的尺寸穩(wěn)定性，滿足性能要求。

圖1 圓筒形薄壁鋁合金零件

2.原熱處理操作方法

采用傳統(tǒng)的手工操作，根據(jù)零件的形狀在靜止的淬火冷卻介質(zhì)內(nèi)上下或左右運動進(jìn)行操作。

從常規(guī)檢測性能如表1所示。固溶后，薄壁鋁合金零件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度均可滿足GB/T3191－1998要求的不小于255MPa和420MPa，及GJB1694－1993要求的不小于68HRB的要求。

表1 固溶處理后薄壁鋁合金零件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度測量結(jié)果

金相組織如圖2所示。固溶后，薄壁鋁合金零件的金相組織為基底的α相與以彌散狀態(tài)析出的強(qiáng)化相S'相。

尺寸變形量如表2所示。固溶前，工藝要求零件內(nèi)孔直徑為107+0.20+0mm，單邊加工預(yù)留量為1mm；固溶后，薄壁零件內(nèi)孔直徑變形量達(dá)1.0～3.0mm。

圖2 固溶后的金相組織

表2 固溶后薄壁鋁合金零件的尺寸變形量測量結(jié)果

3.原因分析及改進(jìn)措施

（1）原因分析 針對上述檢測結(jié)果分析原因：①采用傳統(tǒng)的手工操作，根據(jù)零件的形狀在靜止淬火冷卻介質(zhì)中運動的操作方法易出現(xiàn)淬火變形較大現(xiàn)象，是因為淬火槽內(nèi)上下介質(zhì)溫度相差較大，給產(chǎn)品（尤其是薄壁零件）熱處理質(zhì)量帶來隱患。由于介質(zhì)的淬火冷卻特性與介質(zhì)溫度有關(guān)，淬火槽內(nèi)淬火冷卻介質(zhì)相對靜止，冷卻速度會隨介質(zhì)溫度的升高而降低，淬火槽內(nèi)形成垂直溫差層，致使工件冷卻不均勻。②工件在靜止介質(zhì)中淬火，表面極易形成蒸汽膜，影響淬火質(zhì)量。工件剛進(jìn)入淬火冷卻介質(zhì)的瞬間，淬火冷卻介質(zhì)立即被加熱而汽化，在工件表面形成一層蒸汽膜，由于蒸汽膜導(dǎo)熱性較差，極易在工件表面產(chǎn)生軟點或軟帶。③工人勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低（特別是大件）。傳統(tǒng)淬火方法是：工件在淬火過程中必須人工在介質(zhì)槽內(nèi)上下或左右移動，破壞工件表面的蒸汽膜，以提高淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力，同時增加淬火槽液溫度的均勻性。

（2）改進(jìn)措施 傳統(tǒng)的淬火操作方法，由于手工操作在靜止的介質(zhì)中運動，人為無法控制槽液溫度和提高淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力，解決不了薄壁鋁合金零件易變形和易變形位置的攪拌烈度控制問題。因此，對薄壁鋁合金零件需采用湍流式攪拌使槽液溫度快速趨于均勻一致，提高淬火冷卻介質(zhì)和工件間的相對流速，從而提高淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力，適當(dāng)調(diào)節(jié)攪拌烈度，減小了淬火時表面壓應(yīng)力、內(nèi)部拉應(yīng)力不一致性而產(chǎn)生的淬火綜合應(yīng)力，以期滿足工件最佳淬火尺寸穩(wěn)定性。

通過改進(jìn)攪拌裝置，發(fā)現(xiàn)淬火冷卻介質(zhì)自下而上的湍流攪拌后，薄壁鋁合金零件固溶處理后硬度高而均勻，且淬火變形較小，還可以有效防止固溶開裂現(xiàn)象。

由于良好的攪拌不但可以調(diào)節(jié)淬火烈度，而且還顯著提高了淬火冷卻能力。因攪拌能夠造成淬火冷卻介質(zhì)在淬火工件之間的強(qiáng)烈運動，以加快熱交換過程，使高溫階段蒸汽膜形成初期即被破壞，從而提高了工件在淬火過程中的冷卻速度，在低溫對流期也加速了熱量的傳遞。同時攪拌還可使整個淬火槽中介質(zhì)形成一個較為均勻的溫度場和較為強(qiáng)烈的介質(zhì)運動狀態(tài)，因此，有利于減少工件變形和降低淬火開裂風(fēng)險；防止淬火冷卻介質(zhì)局部過熱，也減緩了介質(zhì)的老化，并提高其使用壽命。

綜合生產(chǎn)實際，薄壁鋁合金零件采用湍流攪拌進(jìn)行固溶處理工藝方法，工作原理如圖3所示。

圖3 湍流攪拌淬火槽原理

該原理采用葉輪將淬火槽中的介質(zhì)旋入介質(zhì)管道內(nèi)、增壓，通過管道經(jīng)風(fēng)冷卻后從導(dǎo)流槽（在淬火槽的中心位置）4個朝上出口噴出將介質(zhì)循環(huán)回淬火槽中，從而保證循環(huán)液在足夠的沖擊區(qū)域內(nèi)形成有效的自下而上的液流方向，由此造成介質(zhì)循環(huán)翻騰攪拌的效果。

從常規(guī)力學(xué)性能看（如表3所示），薄壁鋁合金零件固溶處理后的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度可以保證工件的技術(shù)要求，滿足GB/T3191－1998標(biāo)準(zhǔn)中不小于255MPa和420MPa及GJB1694－1993硬度不小于68HRB的要求。

表3 薄壁鋁合金零件固溶后的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度測量結(jié)果

從金相組織看（如圖4所示），湍流與人工攪拌調(diào)節(jié)淬火后的金相組織基本相同，薄壁鋁合金零件的金相組織仍為基底的α相與以彌散狀態(tài)析出的強(qiáng)化相S'相。

圖4 湍流攪拌淬火后的金相組織

從尺寸變形量看（如表4所示），固溶前，工藝要求零件內(nèi)孔直徑為107+0.20+0mm單邊加工預(yù)留量為1mm；湍流攪拌固溶后，薄壁零件內(nèi)孔直徑變形量控制均在0.30～0.40mm。

表4 湍流攪拌固溶后薄壁深腔零件的尺寸變形量測量結(jié)果

4.結(jié)語

（1）薄壁零件采用湍流攪拌固溶處理后，使槽液溫度快速趨于均勻一致，加速了介質(zhì)與工件間的相對流速，從而提高了淬火介質(zhì)的冷卻能力。

（2）經(jīng)湍流攪拌固溶處理后的尺寸變形量滿足技術(shù)要求。

（3）采用湍流攪拌固溶處理方法可以使表面與心部的降溫速度一同變慢，減小了溫度梯度，從而減小了零件表面壓應(yīng)力、內(nèi)部拉應(yīng)力不一致性而產(chǎn)生的淬火綜合應(yīng)力。

（4）減輕了工人勞動強(qiáng)度，使淬火工件的硬度、組織趨于均勻，達(dá)到了減小變形的目的，為后序加工創(chuàng)造了有利條件。

綜上所述，薄壁鋁合金零件選用湍流攪拌淬火后，可以有效保證淬火后零件變形尺寸，提高尺寸加工穩(wěn)定性，滿足性能要求。