謝洪波

(上海氦格復(fù)合材料科技有限公司，上海 201315)

6061鋁合金瓶體固溶處理時(shí)冷卻過(guò)程分析及工藝優(yōu)化

謝洪波

(上海氦格復(fù)合材料科技有限公司，上海 201315)

摘要：以6061鋁合金復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)膽的固溶處理為例，分析其冷卻過(guò)程，指導(dǎo)優(yōu)化固溶處理工藝，并對(duì)瓶體的物理檢測(cè)提出建議。

關(guān)鍵詞：Al-Mg-Si合金；瓶體；固溶處理；冷卻方式

引 言

固溶時(shí)效處理是提高6061鋁合金強(qiáng)度的有效手段。目前對(duì)6061鋁合金板材和擠壓棒材的固溶時(shí)效工藝研究較多，通常也是通過(guò)參考相關(guān)的研究成果來(lái)制定6061鋁合金內(nèi)膽的固溶時(shí)效工藝。

但是鋁合金瓶體具有壁薄口小中空結(jié)構(gòu)，固溶處理時(shí)冷卻過(guò)程不同于鋁合金板材，直接引用板材的固溶工藝往往達(dá)不到理想的結(jié)果。

本文以6061鋁合金復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)膽的固溶處理為例，分析其冷卻過(guò)程，指導(dǎo)優(yōu)化固溶處理工藝。

1 鋁合金內(nèi)膽的制造工藝過(guò)程

內(nèi)膽的外形如圖1所示。內(nèi)膽由6061鋁合金板材通過(guò)塑性加工而成，加工成型工藝過(guò)程為：鋁板→剪圓→瓶坯拉伸→退火→瓶坯成型→齊口→收口(含銑孔)→固溶處理→時(shí)效處理→螺紋加工。

瓶體肩部和底部為半橢球體，肩部和底部的壁厚約為筒體壁厚的2倍。

圖1 氣瓶?jī)?nèi)膽示意圖

2 固溶處理原理及常用工藝

鋁合金中的合金元素溶于鋁形成以鋁為基的固溶體α(Al)，它們的溶解度隨溫度升高而增大。將鋁合金加熱至較高的溫度，保溫后迅速冷卻，可獲得過(guò)飽和固溶體，這種操作稱(chēng)之為固溶處理，也稱(chēng)為淬火。

固溶處理的加熱及保溫過(guò)程，目的在于使強(qiáng)化相充分溶解于固溶體中和使固溶體均勻化。冷卻過(guò)程目的在于獲得過(guò)飽和固溶體，改善鋁合金的韌性和塑性，并為隨后的時(shí)效處理提供組織準(zhǔn)備。時(shí)效過(guò)程就是脫溶沉淀過(guò)程，從過(guò)飽和固溶體中析出包括GP區(qū)在內(nèi)的各種過(guò)渡相或平衡的次生相，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，可使鋁合金的強(qiáng)度和硬度大幅度提高。

有人以直徑為16 mm的6061鋁合金擠壓棒材為研究對(duì)象，得出適宜的固溶-時(shí)效制度為535 ℃，50 min固溶，水淬，180 ℃，6 h時(shí)效[1]。有人以4 mm厚鋁合金板材為研究對(duì)象，得出最佳固溶工藝為565 ℃，40 min[2]。

3 鋁合金瓶體固溶處理時(shí)的冷卻過(guò)程分析

常用的鋁合金立式固溶爐，加熱爐置于上部，爐門(mén)安裝在爐底，爐門(mén)下部為淬火槽。

固溶處理加熱和冷卻時(shí)，瓶體瓶口朝下垂直放置在不銹鋼制作的料框內(nèi)。根據(jù)固溶爐、淬火槽以及瓶體的大小，料框可以考慮單層或多層裝料。

瓶口朝下垂直裝框，出于以下考慮：

(1)固溶后，瓶?jī)?nèi)冷卻水可以自動(dòng)流出；

(2)瓶體沿對(duì)稱(chēng)軸(縱軸)方向垂直入水，同一橫截面圓周產(chǎn)生的應(yīng)力趨于均勻；

(3)瓶體沿對(duì)稱(chēng)軸(縱軸)方向垂直入水，同一橫截面圓周冷卻條件相同，軸向?qū)ΨQ(chēng)面的性能相近。

板材固溶處理時(shí)一般也是垂直入水，但是瓶體具有壁薄口小中空的結(jié)構(gòu)特征，其入水冷卻過(guò)程有明顯不同于板材的特點(diǎn)。

板材是大平面實(shí)心結(jié)構(gòu)，冷卻時(shí)熱量幾乎全部通過(guò)材料兩個(gè)外表面散失。瓶體是中空結(jié)構(gòu)，入水冷卻時(shí)瓶?jī)?nèi)有高溫氣體，瓶口開(kāi)孔小(固溶時(shí)瓶口未加工螺紋)，一般小于Φ16 mm，而且入水時(shí)瓶?jī)?nèi)氣壓只是略小于瓶口水面壓強(qiáng)，故冷卻水進(jìn)入瓶?jī)?nèi)速度較慢。瓶體及瓶?jī)?nèi)高溫氣體的熱量在冷卻開(kāi)始時(shí)主要是通過(guò)壁厚從瓶體的外表面散失。

固溶冷卻時(shí)，板材及瓶體的散熱示意圖如圖2所示。

圖2 板材及瓶體散熱示意圖

冷卻時(shí)，隨著瓶?jī)?nèi)氣體溫度降低，為保持氣壓穩(wěn)定時(shí)氣體體積會(huì)減小，以及隨著冷卻時(shí)間增長(zhǎng)，由瓶口進(jìn)入瓶?jī)?nèi)的冷卻水會(huì)增加。但是，即使冷卻到室溫，瓶?jī)?nèi)仍會(huì)存在很多氣體，冷卻水并不能灌滿瓶?jī)?nèi)腔。

下面估算瓶?jī)?nèi)空氣體積占瓶體容積的比例：

設(shè)瓶體容積為V0，固溶溫度為540 ℃。入水前瓶?jī)?nèi)氣壓P0可視為1個(gè)大氣壓，氣體的絕對(duì)溫度T0為(540+273)K。在水槽內(nèi)冷卻到30 ℃，此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體的絕對(duì)溫度T1為(30+273)K，體積為V1，氣壓P1等于1個(gè)大氣壓加上水深產(chǎn)生的壓力。

因?yàn)?1個(gè)大氣壓等于10.3 m水柱高，設(shè)瓶?jī)?nèi)水面深1 m，P1則等于1.1個(gè)大氣壓。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

PV/T=常量

則

P1V1/T1=P0V0/T0

計(jì)算可得，V1/V0=34%。

由此可見(jiàn)，瓶體冷卻中，隨溫度降低，瓶?jī)?nèi)氣體體積減少至V1，最后仍約為瓶體容積的34%，聚集在內(nèi)腔底部。可以認(rèn)為瓶體下半部很多內(nèi)壁在冷卻過(guò)程中沒(méi)有沾碰到冷卻水。

由于瓶體內(nèi)存在高溫氣體以及氣體的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)低于金屬材料和水，而且一方面冷卻水不容易通過(guò)瓶口進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，另一方面進(jìn)入瓶?jī)?nèi)的冷卻水升溫后又難以通過(guò)瓶口流出進(jìn)行熱交換。在同樣的冷卻條件下，瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。

由于瓶體頸部和肩部先垂直入水，又瓶體肩部通過(guò)瓶口可以逐步進(jìn)入冷卻水，瓶體底部?jī)?nèi)腔始終保持有氣體空間，一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

4 鋁合金瓶體固溶處理工藝的優(yōu)化

鑒于瓶體固溶處理冷卻過(guò)程存在以上特點(diǎn)，為達(dá)到固溶處理效果，減弱瓶體冷卻速度較低的不利影響，需要考慮優(yōu)化固溶處理工藝。

4.1 固溶溫度

合金固溶溫度越高，在淬火過(guò)程中固定下來(lái)的固溶體晶格中空位的濃度越大，則固溶體的分解速度及硬化效果都將增大[3]。

一般固溶溫度越高，能使強(qiáng)化相更大限度溶入固溶體，但溫度過(guò)高會(huì)引起晶粒粗大，甚至發(fā)生過(guò)燒。

圖3 Al-Mg-Si三元相圖

6061材料屬Al-Mg-Si系合金，相圖如圖3所示[3]。在Al-Mg-Si三元系中，Mg2Si為穩(wěn)定化合物，與鋁構(gòu)成偽二元系。α(Al)-Mg2Si之間偽二元相圖如圖4所示[3]，Mg2Si在α(Al)中的固溶度隨溫度下降有明顯變化，共晶溫度為595 ℃。此外，在圖3中當(dāng)Si含量較高或存在Si偏析時(shí)，會(huì)出現(xiàn)α(Al)+Mg2Si+Si三元共晶系，共晶溫度為558 ℃。

圖4 Al-Mg2Si偽二元相圖

為防止低溶點(diǎn)共晶體在加熱時(shí)熔化(即出現(xiàn)過(guò)燒)以及晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，6061鋁合金的固溶溫度不是越高越好，一般采用540～545 ℃。

固溶溫度530 ℃以下，固溶不充分；固溶溫度550 ℃以上，晶粒易粗大，晶粒度達(dá)1～3級(jí)；固溶溫度560 ℃以上，容易出現(xiàn)過(guò)燒。

4.2 淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間

工件從加熱爐至淬火槽中所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)盡量減少，轉(zhuǎn)移時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，過(guò)飽和固溶體將在轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)生分解。

一般規(guī)定，鋁合金厚度小于4 mm時(shí)，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不得超過(guò)30 s，當(dāng)成批工件同時(shí)淬火的數(shù)量增多時(shí)，轉(zhuǎn)移時(shí)間可增長(zhǎng)[4]。

實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移時(shí)間控制30 s，瓶體固溶效果并不滿意，應(yīng)該縮短轉(zhuǎn)移時(shí)間。采用鋁合金立式固熔爐，可以控制轉(zhuǎn)移時(shí)間為10 s。

4.3 水溫控制

6061鋁合金最常用的淬火介質(zhì)是水。水的淬火冷卻特性與水溫有關(guān)，冷卻速度隨水溫升高而降低。水溫過(guò)低，工件在淬火時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，易導(dǎo)致變形或開(kāi)裂。故在實(shí)際生產(chǎn)中冷卻水的溫度一般保持在10～35 ℃。

冷卻能力對(duì)水溫的變化很敏感。控制冷卻水的初始溫度容易實(shí)現(xiàn)，但熱工件浸入水中，水溫會(huì)瞬時(shí)升高。為了保持水溫：一是淬火槽要有足夠的容量，一般應(yīng)為瓶體總?cè)莘e的10倍以上，還要考慮料框的體積和散熱。如果淬火槽容量不夠大，應(yīng)減少裝爐量;二是淬火槽應(yīng)有冷卻水循環(huán)和攪拌裝置。一方面，用泵不停地以一定流量從槽體下部抽進(jìn)冷水，讓熱水從水槽上部的管道流出，促使淬火槽內(nèi)水的流動(dòng)和更換;另一方面，通過(guò)攪拌裝置增加水的流動(dòng)速度，控制水的流動(dòng)方向，使淬火槽內(nèi)水溫均勻，有效提高水的冷卻能力，改善淬火效果。三是冷卻過(guò)程中應(yīng)時(shí)常上下抖動(dòng)料框，不僅可以促使槽內(nèi)水的流動(dòng)和熱交換，更重要的作用是可使瓶?jī)?nèi)氣體逸出和瓶?jī)?nèi)熱水流出，改善瓶壁的冷卻條件。

高溫瓶體入水，水會(huì)被汽化而在瓶體表面形成蒸汽膜，蒸汽膜的導(dǎo)熱性較差，使冷卻速度降低。水的循環(huán)流動(dòng)和料框的抖動(dòng)，也可以促進(jìn)蒸汽膜的提早破裂，提高冷卻能力。

淬火槽如果安裝有溫度顯示裝置，更有利于實(shí)時(shí)了解水溫，更能保證有效控制水溫。

實(shí)踐表明，水溫初始溫度15～30 ℃，淬火后水槽溫度不超過(guò)35 ℃時(shí)，6061鋁合金瓶體淬火效果較好。

4.4 冷卻時(shí)間

當(dāng)瓶體溫度冷卻到50 ℃以下，就可以將料框吊離水槽，這時(shí)瓶體上水分有冒熱氣，基本能自行揮發(fā)干，而瓶體又不至于燙手。

瓶體壁厚很小，一般只有幾毫米，對(duì)冷卻時(shí)間影響不大。冷卻時(shí)間主要取決于冷卻速度，冷卻速度大，則冷卻時(shí)間小。但要說(shuō)明的是，當(dāng)冷卻速度低于臨界值，即使長(zhǎng)時(shí)間增加冷卻時(shí)間，也不能提高淬火效果。

在8 m3的淬火槽中，一次裝框100只容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體，固溶冷卻時(shí)間一般為3～4 min，視情況可以適當(dāng)延長(zhǎng)。雖然瓶壁較薄，但瓶體內(nèi)的高溫氣體冷卻速度慢，瓶體淬火冷卻時(shí)間應(yīng)大于同厚度的板材。

冷卻時(shí)間不夠，造成瓶體余溫高，固溶效果不佳；冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，沒(méi)有實(shí)際意義。

5 固溶工藝優(yōu)化前后之性能比較

以設(shè)計(jì)壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金內(nèi)膽的固溶時(shí)效為例。初始工藝和改進(jìn)工藝如表1所示。

表1 初始工藝和改進(jìn)工藝對(duì)比

按初始工藝處理和改進(jìn)工藝處理，瓶體力學(xué)性能分別如表2，3所示。

表2 瓶體力學(xué)性能(初始工藝)

表3 瓶體力學(xué)性能(改進(jìn)工藝)

從表2和表3的數(shù)據(jù)看，改進(jìn)工藝后強(qiáng)度有明顯提高，塑性沒(méi)有降低。

要注意的是，熱處理后的力學(xué)性能是固溶溫度、保溫時(shí)間、轉(zhuǎn)移速度、水溫、淬火方式、冷卻時(shí)間等多種因素共同作用的結(jié)果，審視和優(yōu)化熱處理工藝時(shí)應(yīng)考慮各因素的影響。

6 鋁合金瓶體的物理檢測(cè)

鋁合金瓶體的物理檢測(cè)包括力學(xué)性能測(cè)試(硬度、Rm,Rp0.2,A)和金相檢查(過(guò)燒)。

瓶體只有在固溶并時(shí)效處理后才能獲得最佳的力學(xué)性能，故在瓶體固溶后就測(cè)試力學(xué)性能沒(méi)有意義，應(yīng)在時(shí)效完成后進(jìn)行。前面已分析過(guò)，在實(shí)際使用時(shí)筒體是瓶體的薄弱部位，固溶時(shí)效后應(yīng)在筒體上測(cè)試力學(xué)性能。

由于瓶肩先入水冷卻，而且瓶體內(nèi)腔存在高溫氣體，容易造成瓶肩的冷卻速度大、瓶底的冷卻速度小，致使瓶體的上、中、下部位的性能存在差距，當(dāng)淬火槽內(nèi)水的流動(dòng)性差時(shí)，這種性能差距更明顯。一般筒體上部(近肩部)硬度高、下部(近底部)硬度低，從而上部的強(qiáng)度高、塑性小，下部的強(qiáng)度低、塑性大。

6.1 力學(xué)性能測(cè)試

鋁合金瓶體壁薄中空硬度低，選擇合適的硬度測(cè)試方法很關(guān)鍵，既要保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，還要瓶體外形尺寸受壓不變、壓痕小、效率高。一般常選用HV1,HV5，HBW1/10，HRB或表面洛氏硬度。里氏硬度雖然操作簡(jiǎn)單、壓痕小、效率高，但不適用，測(cè)量誤差很大。

硬度應(yīng)在筒體的上、中、下3個(gè)部位檢測(cè)。如果硬度壓痕很明顯，應(yīng)打磨，并保證瓶體的最小壁厚。

拉伸試樣(測(cè)強(qiáng)度Rm，Rp0.2和斷后伸長(zhǎng)率A)應(yīng)在筒體的中部沿縱向取樣，尺寸要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可比較性。

6.2 金相檢查

金相要檢查的組織過(guò)燒情況，一般取決于原始組織、固溶溫度和固溶保溫時(shí)間，與冷卻過(guò)程和時(shí)效過(guò)程無(wú)關(guān)。

考慮到瓶體熱旋收口時(shí)也容易因加熱溫度高而生產(chǎn)過(guò)燒，金相取樣一般在瓶肩靠近瓶頸處取樣。如果要確定過(guò)燒是由于固溶溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成，則應(yīng)在筒體取樣。

還有可能因?yàn)闇囟葍x表故障或者熱處理爐內(nèi)局部實(shí)際溫度偏高造成過(guò)燒，并不是固溶工藝不合理造成的。因此發(fā)現(xiàn)過(guò)燒，要從熱加工過(guò)程、固溶工藝、熱處理設(shè)備等多方面分析原因，找出真正的原因，不要一味來(lái)調(diào)整固溶工藝。

7 結(jié) 論

(1)由于瓶體存在口小中空結(jié)構(gòu)，淬火時(shí)在同樣的冷卻條件下，瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。由于瓶體頸部和肩部先垂直入水，又瓶體底部?jī)?nèi)腔始終保持有氣體空間，一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

(2)考慮到瓶體冷卻過(guò)程中的特點(diǎn)，可以通過(guò)調(diào)整固溶溫度、轉(zhuǎn)移時(shí)間、水溫、冷卻時(shí)間來(lái)優(yōu)化固溶工藝。設(shè)計(jì)壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體，推薦固溶溫度540～545 ℃、保溫70 min、轉(zhuǎn)移時(shí)間10 s 、水溫15～30 ℃、冷卻時(shí)間3～4 min。

(3)對(duì)固溶時(shí)效后瓶體進(jìn)行物理檢測(cè)時(shí)，由于筒體各部位冷卻速度差距，致使瓶體的上、中、下部位的性能也可能存在差距。此外，熱加工過(guò)程、固溶工藝、熱處理設(shè)備等都有可能造成過(guò)燒，要多方面進(jìn)行原因分析。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2018-01-26

作者簡(jiǎn)介：謝洪波(1971—)，男，工程師。電話：15852662030；E-mail：jxxhbydx@sina.com

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