（江南計(jì)算技術(shù)研究所， 江蘇 無錫，214083）

薄壁鋁合金零件熱處理變形控制工藝研究

賈建中 劉國平

（江南計(jì)算技術(shù)研究所， 江蘇 無錫，214083）

如何有效控制薄壁鋁合金零件熱處理變形一直是一個(gè)工藝技術(shù)難題。本文通過對(duì)熱處理變形的研究，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)使用高分子聚合物淬火介質(zhì)可以最大程度減小淬火操作所產(chǎn)生的變形，可以在工藝過程中配合使用，滿足薄壁鋁合金零件變形控制的需要。

2A12薄鋁板；高分子聚合物；淬火；熱處理；變形控制

關(guān)于鋁合金的熱處理參數(shù)均有完整的手冊、技術(shù)數(shù)據(jù)等資料可以參考，而且參數(shù)準(zhǔn)確完整，但是就熱處理操作過程而言，可參考的文獻(xiàn)非常少，尤其是各單位的產(chǎn)品特點(diǎn)、設(shè)備及加工特性、工藝設(shè)計(jì)習(xí)慣等都各不相同，這些方面的影響使得在具體零件熱處理的操作中有一定區(qū)別，甚至某些方面相差甚遠(yuǎn)，它受經(jīng)驗(yàn)因素影響較大，而這部分經(jīng)驗(yàn)有別于理論研究，沒有成熟的資料可以借鑒，往往是在生產(chǎn)實(shí)際和某種特定產(chǎn)品反復(fù)生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)歸納獲得的。

高強(qiáng)度薄壁零件尤其是鋁合金在加工制造過程中，如何控制其變形是一個(gè)很大的難題，主要會(huì)產(chǎn)生兩大變形，一是熱處理產(chǎn)生的變形；二是加工過程產(chǎn)生的變形。常用熱處理方法包括固溶處理（淬火）、時(shí)效和再加熱（退火和穩(wěn)定化）三種，從理論角度講熱處理導(dǎo)致的變形是不可避免的。本文主要針對(duì)如何減小和控制薄壁零件在固溶處理過程中產(chǎn)生的變形進(jìn)行試驗(yàn)和研究。

1 固溶處理及變形因素分析

將鋁合金加熱至較高的溫度，保溫后迅速冷卻，可獲得過飽和固溶體，這種操作屬于淬火，而對(duì)于鋁合金而言稱之為固溶處理。固溶過程一般分為加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，其中，冷卻對(duì)零件變形起到?jīng)Q定性的作用。

1.1 冷卻介質(zhì)的工作原理和作用

淬火液作為淬火冷卻的必要環(huán)節(jié)除了有助于形成所需的微觀結(jié)構(gòu)外，另一項(xiàng)重要作用就是在冷卻過程中使零件表面冷卻過程的均勻性達(dá)到最高限度，以至達(dá)到減小淬火后變形的目的。

其淬火液的作用機(jī)理主要分為兩種形式：

一是工件在有霧態(tài)變化的介質(zhì)中冷卻，其分為3個(gè)階段：①膜態(tài)沸騰階段，赤熱工件浸入介質(zhì)中，立即在工件表面產(chǎn)生大量蒸汽，形成一層包圍工件的蒸汽膜，將工件與液體介質(zhì)隔開，只能通過蒸汽膜傳遞熱量，冷速較慢；②泡狀沸騰階段，工件表面溫度降到一定值以下，表面所產(chǎn)生的蒸汽量少于蒸汽從表面逸出的量，工件表面的蒸汽膜破裂，浸入泡狀沸騰階段。在此階段液體介質(zhì)直接與工件表面接觸，冷卻速度驟增；③對(duì)流階段，一旦工件表面溫度降至介質(zhì)的沸點(diǎn)之下，沸騰停止。此后通過對(duì)流使工件繼續(xù)冷卻，是冷卻最慢階段。

圖1 不同介質(zhì)淬火后零件變形

圖2 不同介質(zhì)淬火的零件變形量對(duì)比（左側(cè)曲線為高分子聚合物，右側(cè)曲線為水）

另一個(gè)是工件在無霧態(tài)變化的介質(zhì)中冷卻，工件與介質(zhì)之間的熱交換是以對(duì)流傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)行的，類似于前一類介質(zhì)的“對(duì)流階段”。在整個(gè)冷卻過程冷卻速度不會(huì)出現(xiàn)突然變化，而是隨工件與介質(zhì)之間溫差減少，而逐漸減慢。

1.2 常用淬火介質(zhì)和冷卻方式

隨著科技發(fā)展，淬火液的種類也層出不窮，本文主要針對(duì)以下兩種淬火液進(jìn)行分析、研究。

（1）以水作為淬火液。

目前來說，水是一種最為常見的淬火液，水的冷卻能力比較強(qiáng)，但其膜狀沸騰階段長，靜止水的最大表面換熱系數(shù)出現(xiàn)在400℃以下，水溫對(duì)水的冷卻能力有強(qiáng)烈的影響。此外，水的浸濕速度低，靜止水的冷卻特性不是很理想。循環(huán)、攪拌和增加沿工件表面的水流動(dòng)速度，能促使蒸汽膜提早破裂。

同時(shí)，水是最經(jīng)濟(jì)的淬火介質(zhì)，其化學(xué)穩(wěn)定性很高，熱容量較大。但水在高溫區(qū)的冷卻能力并不強(qiáng)，而在300℃附近冷卻能力卻很大，因此，純水的冷卻特性恰恰與要求的理想淬火介質(zhì)的特性相反。目前，常用的水基淬火液有鹽水、堿水、飽和氯化鈣、三硝水溶液(NaNO3、NaNO2、KNO3)、有機(jī)高分子水溶液等。

（2）以高分子聚合物水溶液作為淬火液。

高分子聚合物水溶液，是一種含有各種高分子聚合物水溶液的新興產(chǎn)品，配以適量的防腐劑和防銹劑使用。使用時(shí)根據(jù)需要加水稀釋成不同濃度的溶液，可以得到水、油之間或比油更慢的冷卻能力。采用此類水溶液淬火往往會(huì)在工件表面形成一層聚合物薄膜，改變了冷卻特性，濃度越高，膜層越厚，冷卻越慢。液溫升高冷卻速度減慢，攪動(dòng)則使冷速加快，目前應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。

2 熱處理工藝試驗(yàn)方案

為保證試驗(yàn)效果，依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)，本文選擇常用的2A12鋁合金薄壁構(gòu)件作為樣本進(jìn)行研究，主要圍繞淬火介質(zhì)的作用機(jī)理和鋁合金的變形機(jī)理，從熱處理效果和熱處理變形兩個(gè)方面進(jìn)行分析研究。選用的熱處理試驗(yàn)方案包括以下4種：

（1）針對(duì)不同的淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。

圍繞水和高分子聚合物兩種淬火介質(zhì)開展。選取2A12薄鋁板，分別置于相同溫度的兩種淬火液中進(jìn)行固溶處理，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

（2）針對(duì)不同的淬火介質(zhì)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。

淬火介質(zhì)選定水和高分子聚合物淬火液中的一種，分別將2A12薄鋁板置于不同溫度的溶液中完成固溶處理，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

（3）針對(duì)不同的冷卻方式進(jìn)行試驗(yàn)。

同種的淬火介質(zhì)且采用不同的冷卻方式也會(huì)對(duì)工件的變形產(chǎn)生很大的影響。在淬火液溫度相同情況下，分別將2A12薄鋁板在靜態(tài)、流動(dòng)、攪拌溶液中進(jìn)行固溶處理，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

（4）針對(duì)工件放入淬火液的不同方式進(jìn)行試驗(yàn)

鋁合金板材都具有一定的紋理性，同一種金屬在不同紋理方向上的性能也會(huì)有所不同，依據(jù)不同的紋理方向放入淬火介質(zhì)中也會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生影響。

在該試驗(yàn)方案中，分別將薄鋁板按水面與紋理平行、水面與紋理垂直和直接放入三種方式進(jìn)行，待穩(wěn)定后將其取出進(jìn)行測量分析。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究

針對(duì)不同冷卻介質(zhì)、不同溫度情況進(jìn)行淬火試驗(yàn)，獲得每種情況下零件的變形量，每組試驗(yàn)樣本為10件，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總，可以得出如下結(jié)論。就冷卻方式而言，采用靜態(tài)、流動(dòng)及攪動(dòng)介質(zhì)，對(duì)工件變形影響很小，基本可以忽略不計(jì)；就工件進(jìn)入介質(zhì)姿態(tài)而言，工件大面平行于介質(zhì)面放入導(dǎo)致比較大的變形，金屬紋理方向垂直或平行對(duì)工件變形影響很小，不是關(guān)鍵因素；上述兩點(diǎn)與一般傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)相符，這里不再贅述。

一般而言，隨著介質(zhì)溫度的升高工件變形趨勢會(huì)變小，試驗(yàn)中水作為一種常用介質(zhì)這一特性得到體現(xiàn)，但是對(duì)高分子聚合物而言呈現(xiàn)了相反的特性；再者，水和高分子聚合物相比，對(duì)工件變形的影響是巨大的，可以說是顛覆性的。

圖1-a為試件固溶處理時(shí)，采用不同溫度的水中進(jìn)行冷卻后所體現(xiàn)的變形量不同，隨著水的溫度的升高淬火變形量減小。由于常溫下的水冷卻能力是最大的，冷卻速度可達(dá)750℃/s以上。但冷卻太快，試件內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致較大的淬火畸變。故可通過調(diào)節(jié)水溫來防止畸變和開裂，水溫可升到30～50℃，特殊情況下，可允許升到80℃，在實(shí)際實(shí)踐過程中，根據(jù)產(chǎn)品特性、技術(shù)要求和工藝規(guī)范進(jìn)行選擇。

圖1-b為試件固溶處理時(shí)，采用不同溫度的高分子聚合物淬火液中進(jìn)行冷卻后的變形量曲線圖，隨著介質(zhì)溫度升高變形量有略微增大的趨勢。在同等濃度的條件下，由于提高淬火液溫度導(dǎo)致其冷卻速率下降，致使其冷卻過程時(shí)間增加，不能更好的控制試件的變形量，因此淬火液的溫度決定著試件的變形趨勢，因正確選擇淬火液溫度變量產(chǎn)生適合的淬火速率以達(dá)到最佳效果。在實(shí)際實(shí)踐過程中，使用該類溶液作為介質(zhì)時(shí)，控制溶液溫度非常必要，這樣可以有效避免變形增加或者工件開裂等工藝缺陷。

水與高分子聚合物作為固溶處理介質(zhì)，對(duì)工作溫度而言呈現(xiàn)了截然相反的一種特性，如果單純從產(chǎn)生的變形量來比較，對(duì)比效果更加明顯，如圖2所示。

圖2為水基淬火介質(zhì)和高分子聚合物水溶性淬火介質(zhì)的冷卻試驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)。圖2左側(cè)曲線為采用高分子聚合物淬火液，工件（零件）產(chǎn)生的變形量，工件變形量隨著介質(zhì)工作溫度的升高而有所增加；圖2右側(cè)曲線為采用水基淬火介質(zhì)作為淬火液，工件（零件）產(chǎn)生的變形量，工件變形量隨著溫度的增加而這件減小。

從圖中曲線比較來看，高分子聚合物淬火液對(duì)零件淬火后的畸變得到了很好地控制，效果較好，在室溫狀態(tài)下，工件變形可以相差百倍之多；從兩種淬火液曲線單獨(dú)來看，高分子聚合物溶液溫度變化對(duì)工件變形的影響程度較??；水基溶液和高分子聚合物溶液在不同溫度下淬火操作后對(duì)零件變形的影響呈相反趨

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