铝合金固溶处理及配套设备

铝合金固溶处理及配套设备
作者：曹瑞金来源于：陕西金瑞工业炉有限责任公司
一、固熔处理、时效处理工艺概述
1、热处理制度及性能
变形铝合金经固溶处理(俗称淬火)和时效(用于2XXX系合金、4XXX系合金、6XXX系合金、7XXX系合金等)后，其提高了强度、增加了硬度，特别如合金2014、2024、6061、7075等，其热处理强化效果非常显著，且常用的热处理方式有：
T 3 固溶体处理后，冷加工并自然时效
T 4 固溶体处理后，直接自然时效
T 6 固溶处理后人工时效
T 7 固溶处理后人工时效至过时效状态
T 8 固溶体处理后，冷加工并人工时效
T 9 固溶体处理后人工时效并冷加工
TX 51 固溶体处理后用拉伸的方法消除内部应力，如T651
TX 52 固溶体处理后用压缩的方法消除内部应力
目前国内外市场供应的几种典型铝合金固溶处理后其性能及主要用途有：A2024-T6, ,T351；A2014-T6，T651，主要用于飞机结构(蒙皮,骨架,肋梁,隔框等),铆钉,导弹,构件,上学车轮毂,螺旋桨元件及其他各种结构件, 强度高，有一定的耐热性，可用作150℃以下的工作零件，工作温度高于125°C时，2024合金的强度比7075合金的还高。

这类合金热处理强化效果显著，但热处理工艺要求严格，抗蚀性较差，焊接时易产生裂纹。

其主要性能指标为：
硬度HB 120，密度 2.85，抗拉强度 470，疲劳强度 325，延伸率10 A6061-T6, T651具有中等强度，其强度不能与2XXX系或7XXX系相比，但镁、硅合金特性多，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。

广泛应用于要求有一定强度和抗蚀性高的各种工业结构件，如制造卡车，塔式建筑，船舶，电车，铁道车辆，家具，航天、电器固定装置、通讯领域，也广泛应用于自动化机械零件、精密加工、模具制造、电子及精密仪器、SMT、PC板焊锡载具等。

其主要性能指标为：
硬度 95 ，密度 2.750，抗拉强度 310，屈服强度 276，延伸率12
A7075- T6, T651强度很强，具有良好的机械性能及阳极反应，有特别好的低温强度，焊接性能差，有应力腐蚀开裂倾向，固溶处理后塑性好，热处理强化效果好，在150℃以下有良好的强度。

代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体。

性能：
硬度 150 ，密度 2.850，抗拉强度 572，屈服强度 503，延伸率11
2、典型合金淬火工艺制度及对设备性能要求
A2024-T6, ,T351；A2014-T6，T651目前主要用于军品，其淬火工艺制度
略
对于A6061、A7075，常用的淬火工艺制度一般为：
A6061薄板淬火温度505-515℃，厚板淬火温度515-550℃；加热保温时间（以50mm厚板为例），加热40Min、保温60Min；料温均匀性≤±3℃；淬火转移时间≤15秒；淬火水温30-40℃
7075薄板和厚板淬火温度460-475℃；加热保温时间（以50mm厚板为例），加热40Min、保温50Min；料温均匀性≤±3℃；淬火转移时间≤15秒；淬火水温30-40
根据以上工艺特点，要保证淬火后合金性能，淬火炉要保证以下几点关键要素：
（1）温度均匀性（温差）：温差越小，淬火后制品质量越好
我公司目前所制造的淬火炉，其温度均匀性指标能保证为：
空炉炉气温度均匀性：≤±2℃
同块铝料温度均匀性：±1℃
同时加热的不同铝料间温差：±2℃
（2）升温速度及升温同步性：升温速度越快、同步性越高，淬火质量越好我公司淬火炉，炉膛内循环风速达到40米/秒以上，提高了铝材导热λ系数，使得铝材吸热速度极大加快，并用多区连锁的CYC周波控制方式，温度同步性高，提高了强化元素固溶的一致性。

（3）淬火转移时间：越短越好
我公司淬火炉采用液压倍速升降机构，并用对开式液压启闭装置，垂直惯性开门机构，使得开门周期加铝材全部浸入水中总转移时间达到6秒以内。

（4）淬火水温均匀性：越高越好，且单炉淬火水介质温升保持在10℃内同时采用水喷淋循环和压缩空气搅拌，能保证淬火介质温度要求。

3、典型合金时效工艺制度和对设备性能要求
时效分自然时效和人工时效。

淬火后铝合金，经长时间自然时效后，也能达到人工时效的效果，但却无法满足生产需求。

一般，变形铝合金在淬火后就开始了自然时效的性能变化，若在24小时内不进行人工时效，再时效后效果不明显。

虽然象7075可进行回归热处理后使性能达到刚淬火时状态，但因回归热处理工艺中高温加热时间很短且控制非常严格，实际生产中很难操作而极少使用。

故此，淬火炉和时效炉总是配对使用。

典型合金时效工艺制度一般为：
A6061：155-165℃保温18小时，A7075：115-125℃保温24小时后，均能达到T6状态；有时，A7075也采用T7两级时效工艺，分别在107℃和
163-177℃时效。

通常变形铝合金淬火后，其强度很低、塑性很好，能很方便地完成整平或拉伸及分切等工序，然后再进行人工时效后成品包装。

因此，要求时效炉要有高的控温性及温度均匀性，且也需保证快的加热速度。

我公司配套制造的大型时效炉，其性能指标处于国内领先水平。

4、国内淬火板料生产现状
目前市场所需大量的淬火板料主要依赖进口，但随技术的不断发展，很多企业投资了相关设备开始生产淬火合金铝板。

其中，国内几家重点铝加工公司淬火设备比较齐全，还有引进国外的中厚板喷淋淬火炉和拉伸娇直设备等。

由于市场对模具等用料A6061、7075-T6、T651等合金料需求急剧加
大，在广东、江浙等地许多中小铝加工企业纷纷上马生产7075、6061等淬火板，但因淬火炉性能落后、工艺水平低等原因，使得淬火板质量很不稳定，性能参差不齐，产量小、档次低等难以满足市场需求。

二、淬火炉结构型式及特点概述
目前，用于铝板材加热、淬火处理的设备主要有立式结构及卧式结构二种，其各结构下的主要炉型及优缺点、用途如下：
1、盐浴淬火炉：属立式间断式淬火炉，通过在盐浴炉中将铝材加热后再吊挂到淬火槽进行淬火。

该结构炉子技术比较落后、使用中危险性很大、对环境污染严重等原因基本属于淘汰型结构，且设备部件使用寿命低、使用成本高，将很快会被新技术设备所取代。

2、空气循环式立式淬火炉：属立式间断式淬火炉，通过高速循环的热炉气快速加热铝材，并通过升降机构将热铝材快速转移到淬火槽（或淬火井）中进行淬火。

现阶段使用的该结构淬火炉根据炉体形状有圆形和矩形，根据提升方式有钢丝绳卷扬升降和液压升降，根据加热器结构有电阻丝加热和卡口加热器加热等多种形式。

为保证制品可淬性，对淬火槽单位体积可淬火工件量、装炉工件间隔距离等要求较高。

随装炉量的增加，设备体积、刚性强度、设备造价大幅度增大，因此，大部分用户均采用小型淬火炉（多台），一般单次淬火量1500Kg。

我公司经长期研制，特别是采用进口力士乐高性能液压元件，已开发了大型液压式淬火炉，最大淬火装炉量达到8.5吨，对特厚铝板淬火非常适用。

3、卧式淬火炉：能实现半连续或连续淬火生产。

目前该类设备处于研发和消化吸收阶段。

主要形式有：
（1）辊底式喷淋淬火炉，适用于中厚板，设备包括上料段、加热段、过渡输送段、喷淋淬火段、卸料段。

该设备主要引进国外，淬火性能稳定，但生产效率并不高；
（2）推进式加热淬火炉
加热段采用推锭炉结构，料装筐后在炉内推进加热和保温；淬火段采用立式炉结构。

该方式设备相当于1台推进加热炉和1套立式淬火保温室及吊挂转移装置。

设备能实现连续生产，15-30分钟淬火1筐料8.5吨，厚板产量能达到10000吨/月、薄板产量能达到2000吨/月左右。

设备缺点是一次性投资大，在市场需求量不大时设备利用率低，不适合中小企业投资。

（3）吊挂式连续淬火炉：采用吊烧加热炉的结构形式，加热段及相应的吊挂传动装置技术很成熟，但出炉淬火用快速转移装置目前我公司正在攻关，相信不久将来将会推出此结构形式淬火炉。

三、时效炉结构型式及特点概述
时效炉总是和淬火炉配对使用，其装载量一般是24个小时内淬火炉的生产量总和。

根据结构形式，一般有单开门和双开门（提高30%以上生产率）。

炉膛长度在6米以内时，可采用单循环时效炉，当在6米以上时，为保证料温均匀性，常采用双循环方式。