復雜截面鋁型材在線淬火影響因素

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　　1、緒言

　　我國許多鋁型材生產廠家的產品結構隨著鋁型材應用領域的擴展已發生了根本性的變化，不再是單純的6063T5狀態的建筑門窗、裝飾型材，國內鋁合金應用已經擴展到軍工、航空航天、軌道交通、機械等領域。

　　傳統的鋁合金型材固溶化工藝過程是在立式淬火（詞條“淬火”由行業大百科提供）系統中完成，由于需重新加熱保溫，故能耗高，設備投資也大;淬火后需要重新拉伸矯直、整形、鋸切頭尾，工藝過程長，成品率低;對于大型、薄壁、復雜斷面（詞條“斷面”由行業大百科提供）型材，如何控制淬火過程的冷卻，進而控制型材的變形（詞條“變形”由行業大百科提供），實現成熟穩定的在線淬火過程，尚有許多理論及工 程上的問題需要解決。廣亞鋁業有限公司在幾年前就已經開展了鋁合金型材在線淬火技術的探索。2009年承擔了廣東省重大科技專項“復雜截面型材在線淬火技術研發與產業化”，進一步開展了相關研究并取得了一些經驗。

　　2、 實現鋁型材在線淬火的途徑

　　其一，強風冷。熱擠壓在線淬火的工程實踐是從強風冷開始的，在擠壓機出口段配置強力風機，對擠出型材強制風冷。由于空氣比熱小，故強風的對流傳熱系數（詞條“傳熱系數”由行業大百科提供）不大，冷卻較緩，產生的熱應力一般不至于使型材產生大的縱向彎扭和截面畸變。也正因為如此，強風冷不能適應大型厚型材的淬火以及淬火敏感性較高的合金。

　　其二，浸入式水冷。圖1為浸入式冷卻模型。對于厚壁型材以及淬火敏感性較高合金的淬火，必須以水作為冷卻介質，因其比熱大，冷卻效率高。初始一般廠家均采用簡易水槽，用浸入方式實現在線淬火，但此方式冷卻過激，且在型材截面上各部分冷卻很不均勻，尤其是高溫型材進入水槽的初期。我們知道高溫型材進入水槽之初處于所謂蒸汽膜傳熱階段，在高溫型材與水的界面上形成蒸汽膜層，由于蒸汽本身的導熱系數小，以及蒸汽膜對水的阻隔作用，此時型材的冷卻速度并不快，一旦蒸汽泡溢出，型材表面與水直接接觸，導熱效率迅速加大，進入所謂沸騰傳熱階段。但由于型材各表面的位置不同，上面以及側面產生的蒸汽泡迅速溢出，而底部的蒸汽泡則附著在底部不易溢出，故各部分由蒸汽膜傳熱轉入沸騰傳熱的時間不一致，這就會引起較大的熱應力，導致型材的縱向彎扭以及截面的畸變。工程實踐證明此種方式只能適應于截面極其簡單的型材的淬火，形狀稍復雜即會出現彎扭。

　　圖1 浸入式冷卻模型示意

　　其三，噴射式水冷。以一定方式獲得霧化水噴射流對型材進行冷卻。通過噴射的機械作用可以迅速破壞蒸汽膜層，使水可以較快與型材表面直接接觸，可以獲得比浸入式均勻的冷卻。美國格蘭克公司的David?Jenista提出了漸進式冷卻工藝，在淬火冷卻的不同階段采用不同的冷卻速率，避免驟然冷卻產生過大的熱應力，以減少型材的彎扭變形。目前，美國格蘭克?克拉克公司以及意大利戴維遜?考邁托公司的在線淬火系統，均采用此種方式。

　　3、在線淬火過程的主要制約因素

　　3.1 合金的淬火敏感性

　　此因子可表達為單位時間△t 內的溫降△Ts 。淬火必須達到一定的冷卻速率才能阻止固溶的合金元素在冷卻時的析出，獲得常溫下的過飽和固溶體，達到淬火效果;合金成分不同，所要求的冷卻速率也不同。

　　3.2 對流導熱系數

　　在線淬火的熱傳導可以看作是純粹的對流導熱過程，所以特定條件下的對流導熱系數hc 為在線淬火過程的重要影響因素。hc 表征特定冷卻條件下的對流熱傳導效率。

　　3.3 型材截面的熱應力變形敏感度

　　型材截面的熱應力變形敏感度可用型材的截面特征，即型材的單位長度質量w與單位長度散熱面積P之比，w/P表征型材本身的散熱能力。

　　對流導熱系數與型材截面熱應力變形敏感度及合金淬火敏感性三者的關系可以通過傳熱關系表達出來：

　　圖2 淬火冷卻曲線示意

　　淬火過程單位時間△t內型材的溫降為△Ts =Tx-1-Tx則其釋放的熱量可表達為：

　　△Q = CP?w?v?△t ?(Tx-1-Tx)……………(1)

　　式中CP 為鋁合金的定壓比熱，v為型材出料速度，Tx-1為單位時間△t起始的型材溫度，Tx為單位時間△t終了的型材溫度，淬火過程單位時間△t內冷卻介質所交換的熱量可表達為：

　　△Q'= hc?P?v?△t ?((Tx-1+Tx)/2-Tl)……………(2)

　　Tl 為冷卻流體介質的溫度，v為型材出料速度，而P?v?△t為型材的散熱面積，(Tx-1+Tx)/2為淬火材料在單位時間△t內的平均溫度

　　由熱平衡關系：△Q = △Q'得：

　　CP?w?(Tx-1-Tx) = hc?P?((Tx-1+Tx)/2-Tl)

　　hc = CP?w/P?△Ts/((Tx-1+Tx)/2-Tl〕……………(3)

　　式中：△Ts/((Tx-1+Tx)/2-Tl〕為合金淬火敏感性以及型材斷面熱應力變形敏感性所決定的參數，w/P為型材本身的散熱能力特征數，hc 為冷卻介質流體的熱傳導效率。

　　從(3)式可知要達到淬火固溶效果：對于特定的型材斷面(w/P為定值)，合金淬火敏感性越高(△Ts/((Tx-1+Tx)/2-Tl)越大)，則要求對流導熱效率越高(hc越大)。對于特定的合金和一定形狀的截面(△Ts/((Tx-1+Tx)/2-Tl為定值)，型材斷面散熱能力越差(w/P值越大)，則要求對流導熱效率越高(hc越大)，同時由于形狀熱應力變形敏感性的影響，要保證形狀畸變可以接受，對流導熱效率又不能過高(hc適度)。

　　從鋁合金材料的C曲線圖可以制定淬火冷卻曲線。冷卻曲線的路徑不能進入合金元素析出區，也不能進入型材變形敏感區，這樣由于兩個區域的制約，形成所謂淬火窗（詞條“窗”由行業大百科提供）口區，如圖3示。

　　圖3 淬火窗口示意

　　合金元素析出區在圖中的位置是由材料合金成份決定的，即合金的淬火敏感性，一般合金成分確定，則C曲線位置亦確定。左邊的變形區則是由型材截面特性決定的，如前所述型材單位長度質量與外周長之比w/P表征截面的散熱能力，其次還可以表征截面的抗熱應力變形特性，一般地說，壁厚厚的型材(w/P大)抗變形能力強，壁厚薄的型材(w/P小)抗變形能力弱。型材截面的熱應力變形敏感度與其截面復雜程度沒有必然的聯系，但截面各個部分質量分布的均勻性，截面構型的結構剛度（詞條“剛度”由行業大百科提供），由截面構型造成的各個部分散熱條件的不均勻等因素都影響到截面的熱應力變形敏感度;用一個定量值界定截面熱應力變形敏感度，并非易事。比如邊長壁厚之比大于40的正方管，其熱應力變形就很敏感，故截面是否為變形敏感恐怕要在實際工程實踐中積累經驗，對具體的斷面做出判斷。

　　另外還必須指出：擠壓過程中金屬（詞條“金屬”由行業大百科提供）流動的均勻性對熱應力變形敏感度的影響不可忽視，截面各部分金屬流動不均勻將引起附加應力，當這種附加應力不大時，對截面形狀尺寸影響不大，但其與冷卻不均產生的熱應力疊加后，就有可能對截面形狀尺寸產生較大影響，所以擠壓模具的狀態也是截面熱應力敏感度的影響因素之一。可以說型材截面的熱應力變形敏感性決定了淬火窗口的大小，即冷卻控制的難度。

　　4、總結

　　鋁合金擠壓在線淬火的影響因素涉及合金成分、型材截面形狀、淬火設備、擠壓工藝以及模具等諸方面，可以說十分復雜。其中合金成分和型材截面為材料的性能和使用要求所決定，基本不可更改。所能控制的因素，其一為淬火設備，如何實現冷卻綜合換熱的可控和連續可調，以形成符合理想的淬火冷卻曲線是其關鍵;其二，擠壓工藝在特定的設備條件下如何取得最佳的配合，要形成合適的操作規范;其三，型材的變形除金屬流動不均勻引起的附加應力外，在線淬火還疊加了冷卻不均所帶來的熱應力，對模具的要求更高。

　　參考文獻：

　　《金屬材料加工用爐》中南礦冶學院冶金爐教研室編

　　《漸進式淬火：一種控制鋁型材扭曲變形的新方法》David?Jenista Granco clark Inc USA 段剛 彭大暑(譯)