復(fù)雜截面鋁型材在線淬火影響因素

　　本篇文章內(nèi)容由[中國幕墻網(wǎng)]編輯部整理發(fā)布：

　　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)擴展到軍工、航空航天、軌道交通、機械等領(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，強風冷。熱擠壓在線淬火的工程實踐是從強風冷開始的，在擠壓機出口段配置強力風機，對擠出型材強制風冷。由于空氣比熱小，故強風的對流傳熱系數(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，強風冷不能適應(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，尤其是高溫型材進入水槽的初期。我們知道高溫型材進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行冷卻。通過噴射的機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

　　此因子可表達為單位時間△t 內(nèi)的溫降△Ts 。淬火必須達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入合金元素析出區(qū)，也不能進入型材變形敏感區(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，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：

　　《金屬材料加工用爐》中南礦冶學(xué)院冶金爐教研室編

　　《漸進式淬火：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)