鋁合金熱處理設(shè)備的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)易光摘要介紹了鋁合金均勻化、退火、時(shí)效和固溶熱處理等設(shè)備的最新發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)，提出了鋁合金熱處理設(shè)備的研究發(fā)展方向。關(guān)鍵詞鋁合金；熱處理設(shè)備/關(guān)鍵技術(shù)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)10021639199901002024DEVELOPMENTOFALUMINIUMALLOYHEATTREATMENTINSTALLATIONANDITSKEYTECHNIQUESYIGUANGCHINAAERONAUTICALPROJECTDESIGNINSTITUTE,BEIJING100011,CHINAABSTRACTTHELATESTDEVELOPMENTSINTHEINSTALLATIONSFORHOMOGENIZING,ANNEALLING,AGINGANDSOLUTIONHEATTREATINGALUMINIUMALLOYAREINTRODUCEDTHEPROSPECTOFTHEINSTALLATIONISPRESSENTEDAFTERADISCUSSIONONKEYTECHNIQUESKEYWORDSALUMINIUMALLOY；HEATTREATMENTINSTALLATION/KEYTECHNIQUE1前言隨著有色金屬技術(shù)的發(fā)展，鋁和鋁合金以它特有的優(yōu)勢(shì)愈來(lái)愈廣泛的用于航空工業(yè)和民用建筑、醫(yī)療、食品包裝等行業(yè)。鋁合金的熱處理技術(shù)已發(fā)展成為熱處理學(xué)科中的一個(gè)重要組成部分。鋁合金熱處理包括鋁合金退火、時(shí)效、均勻化、固溶熱處理等。隨著鋁合金產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋁合金熱處理質(zhì)量不斷提出更高的要求，本文將對(duì)鋁合金熱處理技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行綜合分析和評(píng)述。2鋁合金的均勻化在鋁板帶和鋁型材生產(chǎn)工藝中，鑄錠通過(guò)熱軋、擠壓可獲得坯料鋁卷帶、鋁型材。在鑄造過(guò)程中，雖然可以通過(guò)在鋁液中添加微量晶粒細(xì)化劑ALTIB達(dá)到細(xì)化鑄錠晶粒的目的，但鑄錠的結(jié)晶組織還是不均勻。這是因?yàn)殇X液的凝固是從結(jié)晶器的內(nèi)壁開(kāi)始，垂直于冷卻面的方向向鋁液內(nèi)部擴(kuò)展，所以鑄造組織具有明顯的方向性；隨著鋁凝固層的增厚，傳熱系數(shù)減小，內(nèi)外晶核的形成和長(zhǎng)大的不一致導(dǎo)致晶粒的形狀、位向和大小也隨之變化；凝固時(shí)金屬成分造成的偏析現(xiàn)象，晶粒四周和晶內(nèi)錳濃度的差異擴(kuò)大了再結(jié)晶溫度區(qū)間，降低生核率，從而容易產(chǎn)生粗晶；鑄造時(shí)錠內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的縮孔和疏松組織。在熱軋、擠壓過(guò)程中，由于熱加工變形與再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，形成了以等軸晶粒為主的再結(jié)晶組織，可使鑄造的結(jié)晶組織不均勻狀態(tài)得到不同程度的改善。為了進(jìn)一步改善熱軋、擠壓的性能，提高熱加工后產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，許多鑄錠在熱加工之前均在鋁合金固相線下的溫度570620進(jìn)行均勻化處理，使MNAL6相均勻析出，減小或消除晶內(nèi)偏析，以達(dá)到均勻化之目的。21軋制用坯錠、卷帶的二次加熱和均勻化生產(chǎn)線1推進(jìn)式加熱/均勻化爐對(duì)于具有熱軋能力的大型鋁加工廠的批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，用推進(jìn)式加熱/均勻化爐來(lái)進(jìn)行二次加熱和均勻化比較合適。根據(jù)工廠的實(shí)際情況可采用加料和卸料的全自動(dòng)操作或半自動(dòng)操作，鋁錠加熱電爐見(jiàn)圖1。圖126T鋁錠加熱電爐在這種爐子的操作程序中，坯錠被放置在加料輥臺(tái)上，自動(dòng)對(duì)齊后由翻錠機(jī)構(gòu)將坯錠翻起在墊塊上也稱(chēng)為熱靴，沿滑軌向前推進(jìn)。推進(jìn)是由液壓推料裝置將坯錠推送過(guò)爐膛，由于這種爐子多數(shù)是連續(xù)作業(yè)，推料裝置與出料裝置同步進(jìn)行，推料裝置受出料端的溫度檢測(cè)信號(hào)控制。該爐可以采用電加熱、氣體或油燃燒器進(jìn)行直接加熱，通過(guò)大功率軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣循環(huán)，確保坯錠快速、均勻的加熱。溫度均勻性一般要求在53，如此小的溫度允差使得坯錠在固相線下的高溫均勻化成為可能。采用先進(jìn)的智能化控溫儀表或計(jì)算機(jī)對(duì)坯錠進(jìn)行差溫加熱，縮短了均勻化的時(shí)間。推進(jìn)式加熱爐一般由進(jìn)料翻錠裝置、推料裝置、爐體、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、出料翻錠裝置、換氣系統(tǒng)、溫度控制和檢測(cè)中心、料墊自動(dòng)返回系統(tǒng)組成。推進(jìn)式加熱爐的關(guān)鍵技術(shù)熱靴料托根據(jù)坯錠形狀的不同，熱靴的形式也有所不同，有分離型、組合型和整體型等。熱靴的選型對(duì)坯錠在進(jìn)出料、推進(jìn)和加熱過(guò)程中舉足輕重，熱靴的返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)也不可忽視。溫度均勻性以及進(jìn)出料協(xié)調(diào)選用恰當(dāng)?shù)难h(huán)方式和導(dǎo)流系統(tǒng)會(huì)改善溫度的均勻性。如針對(duì)不同的坯錠采用立式或臥式風(fēng)機(jī)裝置，或在風(fēng)道中適當(dāng)增加導(dǎo)流片來(lái)保證氣流在爐膛內(nèi)均勻分布。如何保證坯料在達(dá)到軋制溫度后適時(shí)出爐，溫度檢測(cè)和反饋控制是很重要的。為了準(zhǔn)確地反映和控制出料的時(shí)間，保證進(jìn)出料動(dòng)作的協(xié)調(diào)，設(shè)備的結(jié)構(gòu)和重要部件的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵作用。2周期式均熱爐考慮到加熱各種品種和規(guī)格合金鋁錠的需要，周期式均熱爐要比推錠爐更適合生產(chǎn)的要求。周期式均熱爐可裝卸不同品牌、不同規(guī)格的合金錠，根據(jù)合金錠不同的工藝要求，將它們加熱到相應(yīng)的軋制/均勻化溫度。該種爐子使用靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高。鋁扁錠均熱爐如圖2所示。圖253T鋁扁錠均熱爐周期式均熱爐一般以爐組形式出現(xiàn)，采用復(fù)合裝卸料車(chē)對(duì)每臺(tái)爐子進(jìn)行加料和轉(zhuǎn)移，另外還需配備大型的翻錠機(jī)構(gòu)，在實(shí)際操作時(shí)，由天車(chē)與翻錠機(jī)構(gòu)配合，將鋁錠轉(zhuǎn)移到復(fù)合裝卸料車(chē)上，然后由它向各爐子加料和卸料。爐子上配備有大風(fēng)量的對(duì)流循環(huán)系統(tǒng)和先進(jìn)的溫控系統(tǒng)，保證鋁錠在均勻化時(shí)各部位溫度均勻，這種爐子一般裝爐量為3060T。為了保證這種爐型鋁錠加熱后的均勻化效果，必須有效的控制固相線下溫度、溫度均勻性和均熱時(shí)間。因爐體溫度相對(duì)退火爐較高，所以對(duì)風(fēng)機(jī)的材質(zhì)提出了較高的要求。另外，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)、爐門(mén)密封和防止變形、爐內(nèi)支撐受力的狀態(tài)等，也是我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。22擠壓鋁錠的均熱生產(chǎn)線為了進(jìn)一步提高鋁合金型材的內(nèi)在質(zhì)量，使產(chǎn)品上檔次，鋁錠擠壓前都采用均勻化工藝均熱。由于鋁錠規(guī)格和品種的不同，分為短錠均熱和長(zhǎng)錠均熱兩種，短錠一般為600700MM，采用料筐裝卸；長(zhǎng)錠為68）103MM，每排料間由料墊隔開(kāi)。根據(jù)型材的要求，圓錠直徑從85400不等。鋁棒均熱爐如圖3所示。圖335T鋁棒均熱爐在設(shè)備的組成上，均熱生產(chǎn)線一般由多臺(tái)均熱爐、冷卻室、裝卸料臺(tái)、復(fù)合裝卸料車(chē)、電控系統(tǒng)組成，采用電加熱或火焰加熱。在結(jié)構(gòu)上和操作上雖然與前面所述周期式均勻化爐有很多類(lèi)似之處，但為了保證圓鋁錠的各項(xiàng)熱處理參數(shù)，同時(shí)也是為了達(dá)到某種熱處理形式所要求的效果，在設(shè)備的設(shè)計(jì)上還需要注意以下方面熱處理能力如何合理的利用空間，最大限度的發(fā)揮爐子的熱處理能力，這是爐子優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。通常用于擠壓型材鋁錠的品種規(guī)格比較多，直徑從85400不等，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一種均熱爐，鋁錠的直徑愈大，長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，裝爐量愈大，生產(chǎn)能力也就愈大。為了合理安排產(chǎn)量，首先我們要了解產(chǎn)品的生產(chǎn)大綱和規(guī)格，既要考慮爐子的生產(chǎn)率，又要考慮爐子的使用率，同時(shí)兼顧爐子的規(guī)模、造價(jià)和成本。在一種爐型上兼顧處理長(zhǎng)棒料和短棒料兩種料時(shí)，合理安排裝爐量更顯得尤為重要。均勻化時(shí)間這是工藝問(wèn)題也是生產(chǎn)能力問(wèn)題。均勻化時(shí)間根據(jù)鋁合金牌號(hào)而定，一般為46H不含升溫時(shí)間。小于這個(gè)時(shí)間，會(huì)造成產(chǎn)品晶粒不均勻，型材的性能出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，影響成材率。大于這個(gè)時(shí)間，會(huì)造成二次晶粒長(zhǎng)大和生產(chǎn)能力降低等問(wèn)題。冷卻鋁錠均熱后冷卻有兩個(gè)目的第一是快速降溫，提高爐組的生產(chǎn)率；第二是改善鋁錠的擠壓性能。由于鋁錠的擠壓性能受冷卻速率影響甚大，因此要根據(jù)鋁錠的品種、長(zhǎng)短配備不同類(lèi)型的冷卻設(shè)備，以滿(mǎn)足各種鋁錠均勻化的需要，冷卻通常分為水冷、氣冷和水氣混合冷卻。在冷卻過(guò)程中，既要保證鋁錠快速、均勻的冷卻，又要減少鋁錠的變形。冷卻速率的控制很重要，可以采用噴射冷卻反饋技術(shù)，通過(guò)流量、壓力和溫度的反饋控制達(dá)到上述目的。復(fù)合裝卸料車(chē)的轉(zhuǎn)移與自動(dòng)對(duì)位鋁錠均熱生產(chǎn)線一般配備多臺(tái)爐組和冷卻室、裝料臺(tái)等，復(fù)合裝卸料車(chē)可實(shí)現(xiàn)爐料在爐子、冷卻室和裝料臺(tái)之間的相互轉(zhuǎn)移。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動(dòng)化操作，要求復(fù)合裝卸料車(chē)具有自動(dòng)準(zhǔn)確的尋址功能自動(dòng)對(duì)位、防慣性功能和與爐子的連接功能。根據(jù)工藝要求，復(fù)合裝卸料車(chē)可分為二維、三維和可逆復(fù)合裝卸料車(chē)等幾種類(lèi)型，特點(diǎn)是爐外停放，減少爐子的能耗、一機(jī)多用、異地操作、簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行平穩(wěn)精確。3鋁合金的固溶熱處理鋁合金的基本熱處理形式是退火與淬火時(shí)效。前者屬于軟化處理，目的是獲得穩(wěn)定的組織或優(yōu)良的工藝塑性；后者為強(qiáng)化處理，在淬火時(shí)使強(qiáng)化相充分地固溶在鋁材中，在隨后的時(shí)效過(guò)程中又稱(chēng)沉淀硬化獲得最大的強(qiáng)化效果。因此，固溶熱處理的目的是通過(guò)淬火過(guò)程形成起硬化作用的過(guò)飽和固溶體起強(qiáng)化作用的合金元素，在固溶熱處理時(shí)，通常將鋁合金工件加熱到500570，然后以最快的速度冷卻。鋁合金固溶熱處理廣泛用于航空工業(yè)的飛機(jī)蒙皮、壁板、框架、聯(lián)接件等承力構(gòu)件，以及汽車(chē)工業(yè)中汽車(chē)鋁輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、活塞等受力部件。固溶熱處理爐的種類(lèi)很多，主要型式為立式圖4和臥式圖5兩種。立式爐為周期式淬火爐，臥式爐為連續(xù)式淬火爐。圖4鋁合金熱處理空氣循環(huán)電爐圖5臥式爐31立式爐底裝料該爐型適用于小批量、多品種的鋁合金板材、型材、鑄件的生產(chǎn)。一般采用高架式爐型，移動(dòng)式淬火槽車(chē)，爐門(mén)采用兩半對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，工件在爐內(nèi)采用懸掛式加熱，倍行程滑輪組或卷?yè)P(yáng)機(jī)能使工件快速下降，確保所需的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間。爐子的循環(huán)加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)確保淬火加熱時(shí)溫度均勻。該爐子和時(shí)效爐配在一起可形成淬火時(shí)效生產(chǎn)線強(qiáng)化熱處理，也可多爐組排列，共用一臺(tái)淬火槽車(chē)。該爐型由于技術(shù)先進(jìn)、操作靈活，目前應(yīng)用比較廣泛，但在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意以下方面爐內(nèi)溫度均勻性固溶熱處理的特點(diǎn)決定了必須重視爐內(nèi)溫度的均勻性。選擇固溶熱處理溫度必須考慮防止出現(xiàn)過(guò)燒、晶粒粗化、包鋁層污染等弊病，盡可能采用較高的加熱溫度以使強(qiáng)化相充分固溶，但固溶熱處理溫度有一個(gè)高限和一個(gè)低限，如果溫度過(guò)高，合金中的低熔點(diǎn)組成物一般是指共晶體，在加熱過(guò)程中發(fā)生了重熔過(guò)燒；如果溫度過(guò)低，強(qiáng)化相不能完全固溶，而影響合金的強(qiáng)度。因此在熱處理規(guī)范上規(guī)定了固溶熱處理溫度的均勻性，要求在3內(nèi)。固溶熱處理的傳熱主要是依靠對(duì)流，因此爐內(nèi)氣氛的強(qiáng)制循環(huán)對(duì)同一批爐料實(shí)現(xiàn)迅速而均勻的加熱，以達(dá)到要求的溫度均勻性是首要條件。其它影響爐溫均勻性的因素還包括循環(huán)風(fēng)量的大小，循環(huán)次數(shù)的多少，以及循環(huán)氣流如何均勻地流過(guò)工件，導(dǎo)流系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)，保溫材料的選擇等。保溫時(shí)間固溶熱處理加熱時(shí)間首先與合金性質(zhì)、原始狀態(tài)有關(guān)。因各種鋁合金的成分相似，所以對(duì)此不需特殊考慮，那么重點(diǎn)考慮的就是原始組織狀態(tài)。當(dāng)強(qiáng)化相比較細(xì)小時(shí)，因固溶較快，加熱時(shí)間可縮短。例如冷軋狀態(tài)的板材所需加熱時(shí)間較熱軋狀態(tài)的短，重復(fù)淬火則更短，而一般退火狀態(tài)因強(qiáng)化相較粗，保溫時(shí)間應(yīng)較長(zhǎng)。另外，加熱時(shí)間和加熱介質(zhì)、零件尺寸、批量等因素也有直接關(guān)系。淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間工件從出爐到進(jìn)入淬火槽的間隔稱(chēng)轉(zhuǎn)移時(shí)間，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，工作溫度下降可導(dǎo)致固溶體發(fā)生部分分解，從而降低時(shí)效強(qiáng)化效果，特別是增加合金的晶間腐蝕傾向。工件出爐后的溫度降低5，可導(dǎo)致強(qiáng)度下降20，為此，在生產(chǎn)中應(yīng)盡可能縮短轉(zhuǎn)移時(shí)間，尤其對(duì)熱容量低的薄板來(lái)說(shuō)，更為重要。一般淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為725S，視工件大小薄厚而定。淬火冷卻速度由于鋁合金中合金成分的溶解度隨著溫度的降低而急劇下降，所以鋁合金固溶體在淬火狀態(tài)下處于過(guò)飽和狀態(tài)，這樣便可以實(shí)現(xiàn)時(shí)效硬化。根據(jù)鋁合金的等溫分解曲線，為了避免過(guò)量固溶體產(chǎn)生任何沉淀，在淬火過(guò)程中，鋁合金件從固溶加熱溫度應(yīng)快速降到300左右，為達(dá)到理想的效果，應(yīng)保證足夠的冷卻速度。淬火介質(zhì)通常采用水或者聚二醇。為減少變形和內(nèi)應(yīng)力，水溫一般為2050。32臥式鋁合金固溶熱處理生產(chǎn)線這種生產(chǎn)線適用于大批量作業(yè)。典型的生產(chǎn)線有連續(xù)鋁合金鍛件、鑄件固溶和時(shí)效沉淀熱處理生產(chǎn)線、懸浮式鋁合金帶材固溶熱處理生產(chǎn)線、鋁合金中厚板固溶熱處理生產(chǎn)線。懸浮式固溶熱處理生產(chǎn)線可以處理022MM厚的帶材，帶材在通過(guò)加熱爐時(shí)浮動(dòng)在熱空氣墊上，不與爐子接觸，以避免在帶材表面留下劃痕。帶材在離開(kāi)加熱爐后立即淬火，淬火在一個(gè)氣液兩相冷卻系統(tǒng)中進(jìn)行。淬火介質(zhì)采用水和空氣，生產(chǎn)線上還備有熱空氣干燥器，保證帶材熱處理后完全干燥。中厚板固溶熱處理生產(chǎn)線原理上與立式固溶熱處理爐相似，但當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗。具體工作程序?yàn)椴捎谜婵瘴P(pán)將鋁板放在裝料臺(tái)上，根據(jù)合金牌號(hào)和板厚的不同，板材或連續(xù)通過(guò)加熱爐，或借助爐底輥的擺動(dòng)在加熱爐內(nèi)加熱之后進(jìn)入淬火區(qū)和干燥區(qū)，最后到卸料臺(tái)，再由真空吸盤(pán)卸下。連續(xù)臥式鋁合金固溶熱處理生產(chǎn)線有如下關(guān)鍵技術(shù)噴射加熱技術(shù)在加熱爐內(nèi)鋁板由上下分布的空氣噴嘴系統(tǒng)進(jìn)行快速均勻地加熱，噴射速度為3070M/S，加熱速率為1MM/MIN，噴射加熱與其它加熱相比可以提高傳熱系數(shù)，達(dá)到快速升溫的目的。同時(shí)，均勻排列的噴嘴和精確地空氣導(dǎo)流可以得到最小的溫度允差。為了達(dá)到最佳效果，要合理設(shè)計(jì)噴嘴的角度、排列、大小和多少；高溫高壓高流率風(fēng)機(jī)，精確的循環(huán)系統(tǒng)以及特殊的密封系統(tǒng)。噴射冷卻技術(shù)為了使固溶熱處理效果更好，臥式爐采用噴射冷卻技術(shù)代替立式水槽淬火。主要特點(diǎn)是高壓大流量噴水系統(tǒng)是噴射冷卻的主體，移動(dòng)式噴嘴可滿(mǎn)足不同尺寸規(guī)格鋁板淬火的要求；上下噴嘴與鋁板之間的距離，水和鋁板的接觸點(diǎn)位置，上下噴水的一致性，噴嘴的形狀、角度等是能否保證鋁板快速冷卻、冷卻變形小的關(guān)鍵。傳動(dòng)技術(shù)連續(xù)固溶熱處理鋁板的最關(guān)鍵技術(shù)就是如何保證在整個(gè)熱處理過(guò)程中，鋁板不劃傷，無(wú)壓痕和鑲嵌物，保持鋁板的表面光滑。傳動(dòng)刷輥既可保證鋁板表面質(zhì)量，又可保證鋁板與輥?zhàn)又g有熱空氣流動(dòng)，鋁板任意點(diǎn)加熱均勻。另外，分段傳動(dòng)時(shí)的變頻調(diào)速、擺動(dòng)傳動(dòng)、伺服同步傳動(dòng)等都是影響鋁板表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。4鋁合金退火鋁合金退火分為板帶材退火和箔材退火。退火的目的消除冷加工硬化以便繼續(xù)進(jìn)行軋制或深度加工；控制產(chǎn)品的狀態(tài)和性能；清除軋制油，提高表面質(zhì)量。根據(jù)生產(chǎn)能力和規(guī)模，鋁材退火爐分為單體退火和退火爐群組成的退火生產(chǎn)線，見(jiàn)圖6、圖7。退火生產(chǎn)線一般由幾臺(tái)退火爐、復(fù)合裝卸料車(chē)、爐外料臺(tái)、冷卻室有些爐子帶旁路冷卻器組成。爐體采用大風(fēng)量風(fēng)機(jī)對(duì)鋁材進(jìn)行循環(huán)加熱，爐內(nèi)的導(dǎo)流裝置可有效保證氣流均勻的通過(guò)鋁材，使之加熱均勻，加熱器采用頂裝整體式結(jié)構(gòu)、拆裝、維修很方便。爐門(mén)開(kāi)閉采用氣動(dòng)壓緊式或機(jī)械傳動(dòng)升降式，運(yùn)行平穩(wěn)，密封性好。爐子的排油煙系統(tǒng)可有效地去除鋁材表面的油膜，調(diào)節(jié)爐內(nèi)的壓力。這種爐子的裝料量一般為1050T。圖644T鋁卷退火電爐圖744T鋁卷退火生產(chǎn)線鋁材退火爐是鋁合金熱處理中最廣泛采用的設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，對(duì)鋁材的退火提