工业铝合金挤压制品的在线淬火

部分工业铝合金如Al-Si系中的6063、6005A和Al-Zn-Mg系的01915、01925合金对淬火冷却速度敏感性很低，具有自淬性，即利用风冷就可以淬火。但也有部分工业铝合金对淬火冷却速度的敏感性很强，如6061、2A12、7A04等合金淬火炉和水冷却设备，而工业用热处理强化铝合金型材又越来越多。因此实现在挤压机上淬火成为许多工程技术人员研究的重要课题。

1 实现铝合金挤压

首先，制品流出模孔前的温度必须达到该合金的固溶热处理的温度范围，且制品从开始流出模孔到制品挤压结束时的温度变化不大，均在固溶温度范围内；其次，制品从模孔流出到进入淬火水槽的时间不超过该合金的淬火转移时间，且对材料的性能影响不大；再就是制品从水槽经过的时间足以使制品冷却到规定的温度。

满足上述条件的多数工业铝合金挤压制品都可以实现在线淬火。但由于大多数工业铝合金，如2×××系、7×××系的铝合金的挤压速度较慢，一般小于3m/min，如果在线淬火冷却装置的时间超过20s，已经超过了淬火转移时间；如此慢的挤压速度使挤压制品在空气中降温，温度降到了淬火温度以下，从而使该铝合金制品的淬火效果大为降低，达到真正淬火的目的。笔者认为要实现在线淬火的实际条件应该是：

（1）    工业铝合金的挤压速度应大于3m/min；

（2）    工业铝合金的挤压温度应等于或略高于该合金的淬火温度；

（3）    淬火冷却装置至挤压机出口的距离应尽可能短，不超过1m；

（4）    热挤压制品通过冷却装置后的温度应低于该合金规定的温度。

部分工业铝合金的挤压温度和挤压速度（挤压制品的平均流动速度）见表1。从表1可以看出，不是所有的铝合金都可以实现在线淬火，只有部分铝合金才能采用在线淬火。当然如果采用了特殊的方法，也可能实现在线淬火。

对于挤压速度大于3m/min的部分铝合金有可能实现在线淬火。

2、实现在线淬火和用淬火炉淬火的差别在于第二相的固溶时间，如2A12合金，壁厚为4mm的型材在淬火炉保温时间要20min，而在塑性变形条件下可以显著缩短时间，大约只要20s～30s。对于2A12合金，在塑性变形区内停留40s～60s，完全可以使第二相充分固溶，因此有可能在挤压机上进行在线淬火。

强化相的大小对其溶解度有很大影响。如果质点小于1μm，则能很快充分溶解。但要获得如此弥散的强化相，则均匀化的冷却速度要达到500℃/h。现代均匀化加热后的冷却大多采用水冷，基本上可以达到这个要求。另外在挤压机上淬火大大缩短了淬火保温时间和降低了淬火温度下限，从而扩大了淬火温度范围，见表2。

通过调整铸锭和挤压筒的加热温度、挤压系数、挤压速度，可以使制品的前后温度在模具出口处差别在30℃～35℃，说明某些铝合金在挤压机上淬火是可能的。表3给出了可能在挤压机上淬火的铝型材挤压工艺制度（挤压系数λ在12～54之间）。

如果淬火水槽距挤压模具出口的距离为1.0m～1.5m，要保证制品的转移时间在30s以内，制品的流出速度要在3m/min以上，就可以使制品流出水槽后的温度达到规定的要求。

现在已有专门的在线淬火装置，设有风冷、水雾、水冷三级冷却方式，可以根据不同的合金、不同制品的壁厚进行自动调节。淬火装置的长度根据挤压机能力大小而定，通常在4m～12m之间。

3、在线淬火实例

兰州铝业集团西北铝加工分公司用6061合金在45MN反向挤压机上进行在线淬火工艺研究，其工艺参数见表4。

在线淬火采用冷却方式为水冷式，制品完全浸入在水中，可以保证淬火冷却强度。从水槽中出来的制品温度为30℃～100℃，挤压速度最大的为上限。

试验采用在线淬火与空气炉加热淬火进行对比，都采用175℃保温8h的人工时效制度。其力学性能如表5所示。

由表5可以看出：随着挤压温度的提高，硬度、抗拉强度和屈服亦随之提高，伸长率变化不大。当铸锭加热温度为480℃时，由于低于临界淬火温度499℃，合金固溶不充分，合金的强化效果相应降低。当铸锭的加热温度为520℃和540℃时，合金强化效果好。因此可以得出如下结论：当挤压温度为520℃～540℃，挤压速度为3m/min～10m/min，淬火后制品温度在50℃以下时，6061合金可以实现在线水冷淬火。

4、结束语

工业铝合金挤压制品的在线淬火只有其挤压速度大于3m/min时才有可能实现。在线淬火有许多优点：在线水冷淬火制品比空气炉淬火的粗晶环和晶粒度小；可以更容易获得较高的硬度和强度，且抗腐蚀性能、抗疲劳性能不亚于立式空气炉淬火的；可以节省设备投资和节约大量的能源，大大缩短了生产周期；能显著提高生产效率和经济效益。对热处理可强化铝合金进行在线淬火研究，是一项有实用价值的技术研究项目。

表1各种合金挤压制品的挤压温度-平均流出速度规范
合  金 制   品 铸锭加热温度/℃ 挤压筒加热温度/℃ 金属平均流出速度/(m?min-1)
2A14 圆棒、方棒
和六角棒 380～440 360～440 1～2.5
2A12  380～440 360～440 1～3.5
2A05  380～440 360～440 3～6
2A80、2A70、5A02  320～430 350～400 3～15
7A04  350～430 330～400 1～2
1A70～8A06  390～440 360～430 40～150
3A21  390～440 360～430 25～120
5A05～5A06  400～450 380～440 1～2
6A02、6061 一般型材 480～520 450～500 8～50
6063    15～120
2A12、2A06 一般型材 380～460 360～440 1.2～1.5
高强度和空心型材 430～460 400～440 0.8～2
壁板和变断面型材 420～470 400～450 0.5～1.2
2A11 一般型材 330～460 360～430 1～3
7A04 固定断面和变断面型材壁板 370～450 360～430 0.8～2
 390～440 390～440 0.5～1
5A02、5A03、5A05、5A06、3A21 实心、空心和壁板型材 420～480 300～450 0.6～2
6061 装饰型材 320～500 480～500 12～60
6061、6A02、6063 空心建筑型材 480～530 460～480 8～60
   20～12
6A02 重要型材 490～510  3～15

表2 在立式淬火炉中和挤压机上淬火时所必需的淬火温度区间比较
合金 淬火温度/℃ 淬火温度区间温差?t/℃
在立式淬火炉 在挤压机 在立式淬火炉 在挤压机
2A11 495～505 475～505 10 30
2A12 493～500 470～500 7 30
7A04 465～475 440～475 10 35
2A70 525～535 510～535 10 25

表3 可能在挤压机淬火的铝合金型材挤压工艺
挤压工艺参数 2A11合金 2A12合金 7A04合金 2A70合金
铸锭温度/℃ 450～480 450～480 420～450 500～520
挤压筒温度/℃ 420 420 420 440
流出速度（m?min-1） 2～6 1.5～4.0 1.5～4.0 1.5～4.0

表4  6061铝合金在线淬火挤压工艺参数
铸棒规格/㎜ 残料长度㎜ 铸锭温度℃ 挤压速度m/min 挤压筒温度℃
?312×1000 50 400～440 16 380～400
?312×1000 50 480 11 450
?312×1000 50 520 16 450
?312×1000 50 540 11 450
注：挤压系统18.1。
表5 在线淬火与空气炉淬火制品力学性能比较
淬火方式 挤压速度m/min 铸定加热温度/℃ 抗拉强度N/mm2 屈服强度N/mm2 伸长率% 硬度HV
在线淬火 2.0 520 345 335 15.2 102
在线淬火 11.0 480 300 290 16.5 81
在线淬火 11.0 520 355 345 15.0 110
在线淬火 11.0 540 360 350 16.0 120
在线淬火 16.0 520 330 325 15.0 93
空气炉淬火 11.0 520～530 315 305 13.0 91
（此文原载《轻合金加工技术》）