6061鋁合金厚板零件真空氣淬工藝研究

劉 超，王 朝，孫婭玲

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

真空氣淬零件在真空環(huán)境下加熱，不易被氧化，氣淬后工件的變形量小，可用于熱處理后需要精密加工的產(chǎn)品[1]。但是由于真空氣淬的冷卻介質(zhì)為純度99.99%的工業(yè)氮?dú)猓淅鋮s速度比水淬慢，淬火后硬度值難以達(dá)到水淬后的效果，所以導(dǎo)致厚板類6061鋁合金真空氣淬技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用不是很廣泛[2-3]。要保證厚板類6061鋁合金在真空氣淬后達(dá)到較高的硬度，并符合工藝要求，就要對(duì)真空氣淬過(guò)程進(jìn)行研究，拓展思路，提高工件在氣淬過(guò)程中的冷卻速度[4]。下面介紹真空氣淬的主要工藝過(guò)程，并對(duì)人工時(shí)效參數(shù)、充氣壓力及工件擺放位置三個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了6061鋁合金厚板零件的真空氣淬工藝方法和工藝參數(shù)；達(dá)到了厚板零件可以淬透的效果，解決了6061鋁合金厚板零件真空氣淬后硬度值低的問(wèn)題。

1 厚板零件概況

文中研究的6061鋁合金厚板零件，完成了真空釬焊后進(jìn)行淬火時(shí)效，零件外形尺寸為260×160×22，見(jiàn)圖1。要求淬火時(shí)效后零件洛氏硬度HR15T≥71，零件變形量<0.2 mm。

圖1 6061鋁合金厚板零件外形

2 真空氣淬主要工藝過(guò)程

選用的鋁合金真空氣淬爐，其真空度能達(dá)到6×10-3Pa以下，可減小工件高溫下的氧化，同時(shí)提高充氮?dú)夂蟮睦鋮s速度。爐溫均勻性應(yīng)控制在±5 ℃以內(nèi)，以減小工件的熱量傳遞不均勻造成的淬火后硬度不均勻。設(shè)備自身帶有冷凝器，可對(duì)充入爐膛內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行循環(huán)降溫，加快工件的冷卻速度，保證在4 min之內(nèi)冷卻到100 ℃以下(氣淬冷卻曲線見(jiàn)圖2)。當(dāng)爐內(nèi)溫度降至80 ℃以下時(shí)取出工件，立即對(duì)工件進(jìn)行校正，以保證變形量不超過(guò)工藝要求。在淬火后2 h內(nèi)轉(zhuǎn)入人工時(shí)效，保溫后取出。主要工藝參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 真空氣淬相關(guān)參數(shù)

圖2 真空氣淬冷卻曲線

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 人工時(shí)效工藝分析

參考以前類似零件的時(shí)效工藝[5]，初步確定了兩種時(shí)效參數(shù)，分別是200 ℃、保溫2 h和180 ℃、保溫10 h。氣淬時(shí)，每爐放置10件零件，擺放時(shí)，a面平行于爐底板放置，b面朝向爐膛兩側(cè)的出風(fēng)口。充氮后爐內(nèi)壓力為0.4 MPa。共進(jìn)行了20件淬火，淬火完后采用兩種工藝進(jìn)行人工時(shí)效。時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。表2為中人工時(shí)效200 ℃，保溫2 h，表3中人工時(shí)效180 ℃、保溫10 h。

表2 時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)1

表3 時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)2

由表2，表3可以看出180 ℃保溫10 h，零件硬度較200 ℃保溫2 h的硬度稍高，這是因?yàn)檠娱L(zhǎng)時(shí)效保溫時(shí)間，更有利于材料中的合金元素固溶在基體金屬中造成一定程度的晶格畸變，從而使合金強(qiáng)度提高。單純改變時(shí)效工藝，工件硬度仍不滿足HR15T≥71的工藝要求。

3.2 爐內(nèi)充氣壓力影響分析

第3爐試驗(yàn)時(shí)將爐膛內(nèi)充氮?dú)夂蟮膲毫μ岣叩?.45 MPa，零件擺放與前兩爐一致。仍然是a面平行于爐底板放置，b面朝向爐膛兩側(cè)的出風(fēng)口。進(jìn)行10件淬火試驗(yàn)，淬火后選擇180 ℃，保溫10 h的時(shí)效工藝。時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。表4中人工時(shí)效180 ℃，保溫10 h。

表4 時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)3

提升爐內(nèi)充氣壓力可加快工件的冷卻速度。在淬火時(shí)，合金中會(huì)形成空位，通過(guò)提升冷卻速度，空位來(lái)不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)，冷卻速度越快，固溶體內(nèi)所“固定”的空位就越多，空位濃度越大，基材的淬透性越強(qiáng)，更有利于增加硬化區(qū)的數(shù)量，減小硬化區(qū)的尺寸，提高氣淬后的硬度。但從記錄的數(shù)據(jù)來(lái)分析，工件的硬度值仍在合格線上下徘徊，硬度不穩(wěn)定。

3.3 工件在爐內(nèi)擺放位置影響分析

在前面3次的真空氣淬試驗(yàn)時(shí)，工件都以a面朝向爐底板平行放置，爐底板與工件直接接觸，接觸面積較大。由于爐底板的材料為1Cr18Ni9Ti，且重量大，導(dǎo)致其吸熱量大，在真空氣淬的整個(gè)過(guò)程中冷卻較慢，導(dǎo)致工件的冷卻速度較慢。真空氣淬爐的氮?dú)獬錃饪谠跔t膛兩側(cè)，如果a面朝向氮?dú)獬淙肟诰鸵讓?dǎo)致工件發(fā)生變形，同時(shí)a面面積大，影響充氣口的氮?dú)饬魍ǎ瑴p小氮?dú)庠诠ぜg的流通速度，影響工件的冷卻速度。

綜合以上分析，確定新的擺放位置，將零件直立放置。 c面朝向爐底板并與爐底板平行，b面朝向兩

側(cè)的氮?dú)獬錃饪冢琣面與氮?dú)饬鲃?dòng)方向平行。按此思路制作工件支架，保證工件與工件之間隔開(kāi)，工件與爐底板隔離，放置平穩(wěn)，并錯(cuò)位放置，目的是加快氮?dú)庠诠ぜg流動(dòng)速度，提高冷卻速度和冷卻效果。

第4次真空氣淬時(shí)，10件零件擺放在工件支架上，直立放置，提高冷卻效率。爐內(nèi)充氣壓力為0.45 MPa，淬火后選擇180 ℃，保溫10 h的時(shí)效工藝。時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，硬度值已完全符合工藝要求(HR15T≥71)。

表5 時(shí)效后檢測(cè)硬度數(shù)據(jù)4

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)從人工時(shí)效參數(shù)、爐內(nèi)充氣壓力、工件擺放位置三個(gè)方面進(jìn)行改善，確定了6061厚板零件的真空淬火工藝為：零件放置在工件支架上，主要平面與氮?dú)饬鲃?dòng)方向平行，充氣后爐內(nèi)壓力為0.45 MPa，淬火后選擇180 ℃，保溫10 h的時(shí)效工藝。可以保證厚板零件真空氣淬后硬度HR15T≥71的要求。

文中的分析方法和經(jīng)驗(yàn)技術(shù)及總結(jié)出的工藝措施，可對(duì)從事熱處理的工藝和操作人員提供一些思路和借鑒。