復(fù)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(chǎn)廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)隨著鋁型材應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展已發(fā)生了根本性的變化，不再是單純的6063T5狀態(tài)的建筑門窗、裝飾型材，國內(nèi)鋁合金應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到軍工、航空航天、軌道交通、機(jī)械等領(lǐng)域。

　　傳統(tǒng)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(yè)大百科提供）系統(tǒng)中完成，由于需重新加熱保溫，故能耗高，設(shè)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(fù)雜斷面（詞條“斷面”由行業(yè)大百科提供）型材，如何控制淬火過程的冷卻，進(jìn)而控制型材的變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供），實現(xiàn)成熟穩(wěn)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(yè)有限公司在幾年前就已經(jīng)開展了鋁合金型材在線淬火技術(shù)的探索。2009年承擔(dān)了廣東省重大科技專項“復(fù)雜截面型材在線淬火技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”，進(jìn)一步開展了相關(guān)研究并取得了一些經(jīng)驗。

　　2、 實現(xiàn)鋁型材在線淬火的途徑

　　其一，強(qiáng)風(fēng)冷。熱擠壓在線淬火的工程實踐是從強(qiáng)風(fēng)冷開始的，在擠壓機(jī)出口段配置強(qiáng)力風(fēng)機(jī)，對擠出型材強(qiáng)制風(fēng)冷。由于空氣比熱小，故強(qiáng)風(fēng)的對流傳熱系數(shù)（詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）不大，冷卻較緩，產(chǎn)生的熱應(yīng)力一般不至于使型材產(chǎn)生大的縱向彎扭和截面畸變。也正因為如此，強(qiáng)風(fēng)冷不能適應(yīng)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(zhì)，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(xiàn)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(jìn)入水槽的初期。我們知道高溫型材進(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱效率迅速加大，進(jìn)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(cè)面產(chǎn)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(zhuǎn)入沸騰傳熱的時間不一致，這就會引起較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)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(yīng)于截面極其簡單的型材的淬火，形狀稍復(fù)雜即會出現(xiàn)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(jìn)行冷卻。通過噴射的機(jī)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(jìn)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(chǎn)生過大的熱應(yīng)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(tǒng)，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(dá)為單位時間△t 內(nèi)的溫降△Ts 。淬火必須達(dá)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(dá)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(dǎo)熱系數(shù)

　　在線淬火的熱傳導(dǎo)可以看作是純粹的對流導(dǎo)熱過程，所以特定條件下的對流導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)效率。

　　3.3 型材截面的熱應(yīng)力變形敏感度

　　型材截面的熱應(yīng)力變形敏感度可用型材的截面特征，即型材的單位長度質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)與型材截面熱應(yīng)力變形敏感度及合金淬火敏感性三者的關(guān)系可以通過傳熱關(guān)系表達(dá)出來：

　　圖2 淬火冷卻曲線示意

　　淬火過程單位時間△t內(nèi)型材的溫降為△Ts =Tx-1-Tx則其釋放的熱量可表達(dá)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(nèi)冷卻介質(zhì)所交換的熱量可表達(dá)為：

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

　　Tl 為冷卻流體介質(zhì)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(nèi)的平均溫度

　　由熱平衡關(guān)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(yīng)力變形敏感性所決定的參數(shù)，w/P為型材本身的散熱能力特征數(shù)，hc 為冷卻介質(zhì)流體的熱傳導(dǎo)效率。

　　從(3)式可知要達(dá)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(dǎo)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(dǎo)熱效率越高(hc越大)，同時由于形狀熱應(yīng)力變形敏感性的影響，要保證形狀畸變可以接受，對流導(dǎo)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(jìn)入合金元素析出區(qū)，也不能進(jìn)入型材變形敏感區(qū)，這樣由于兩個區(qū)域的制約，形成所謂淬火窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）口區(qū)，如圖3示。

　　圖3 淬火窗口示意

　　合金元素析出區(qū)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(qū)則是由型材截面特性決定的，如前所述型材單位長度質(zhì)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(yīng)力變形特性，一般地說，壁厚厚的型材(w/P大)抗變形能力強(qiáng)，壁厚薄的型材(w/P小)抗變形能力弱。型材截面的熱應(yīng)力變形敏感度與其截面復(fù)雜程度沒有必然的聯(lián)系，但截面各個部分質(zhì)量分布的均勻性，截面構(gòu)型的結(jié)構(gòu)剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供），由截面構(gòu)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(yīng)力變形敏感度;用一個定量值界定截面熱應(yīng)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(yīng)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(jīng)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(yè)大百科提供）流動的均勻性對熱應(yīng)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?qū)⒁�起附加�?yīng)力，當(dāng)這種附加應(yīng)力不大時，對截面形狀尺寸影響不大，但其與冷卻不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力疊加后，就有可能對截面形狀尺寸產(chǎn)生較大影響，所以擠壓模具的狀態(tài)也是截面熱應(yīng)力敏感度的影響因素之一。可以說型材截面的熱應(yīng)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(jié)

　　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(shè)備、擠壓工藝以及模具等諸方面，可以說十分復(fù)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(shè)備，如何實現(xiàn)冷卻綜合換熱的可控和連續(xù)可調(diào)，以形成符合理想的淬火冷卻曲線是其關(guān)鍵;其二，擠壓工藝在特定的設(shè)備條件下如何取得最佳的配合，要形成合適的操作規(guī)范;其三，型材的變形除金屬流動不均勻引起的附加應(yīng)力外，在線淬火還疊加了冷卻不均所帶來的熱應(yīng)力，對模具的要求更高。

　　參考文獻(xiàn)：

　　《金屬材料加工用爐》中南礦冶學(xué)院冶金爐教研室編

　　《漸進(jìn)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)