大规格厚壁挤压材在线淬火可行性研究.pdf

前言随着铝合金加工技术发展和节能降耗的要求，开发短流程、高效节能的生产工艺意义重大。铝合金挤压材的固溶热处理工序是挤压材加工中重要的工序，常规工艺为在线淬火和离线淬火两种。在线淬火是对刚挤压出模孔的高温挤压材进行吹风、喷雾或水冷方式进行的固溶淬火；离线淬火是挤出后的挤压材冷却后重新进入专用加热炉加热到一定温度后出炉淬火。离线淬火流程长、能耗高；在线淬火一般适用于淬火敏感性低的6系和铜元素含量较低的7系合金小规格挤压材或薄壁型材，其余可热处理合金挤压材的固溶淬火均采用离线淬火。随着工业技术的发展，固溶淬火态的大规格厚壁挤压材（尤其300 mm以上的棒材）的市场需求增量很大，因此生产中采用适当降低固溶加热温度、提高淬火水温、延时淬火等措施进行保供生产。离线淬火棒材规格达到300 mm左右，基本能满足客户的大规格厚壁挤压棒材的淬火需求；但当棒材直径大于350 mm或400 mm时，离线淬火效果较差。离线淬火一般加热定温较高，棒材淬火前温度高，入水后表面的温度下降速度快，内部温度因铝材导热传导下降速度慢，导致棒材横端面上内外淬火效果差异大，从而出现淬不透现象（棒材中心和外表性能数据差异很大）、能耗高（固溶保温时间长）以及淬火应力大（锯切后棒材开裂比例大）等问题，因此开发大规格挤压棒材利用余热在线淬火技术意义重大。1大规格厚壁挤压材在线淬火的可行性实际生产中300 mm高强合金棒材离线淬火后应力大，且不容易淬透，因此离线淬火时效的棒材直径极限一般控制在300 mm。针对更大规格的合金挤压棒材淬火考虑余热在线淬火方案。2.1 在线淬火满足的条件据相关资料介绍，铝合金在线淬火需满足如下条件：（1）固溶度线和固相线之间的温度范围宽，易于控制制品出口温度所希望的固溶温度范围；（2）在固溶温度下挤压变形力低，尽可能减少变形能量和综合温升，获得较高的允许挤压速度；（3）淬火敏感性低1。适于挤压在线淬火的铝合金主要是易于控制制品出口温度达到所希望的固溶温度范围的 6系合金中的 6063、6061、大规格厚壁挤压材在线淬火可行性研究陈柏屹，王小刚，陈庆（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）摘要：铝合金挤压材固溶淬火一般有两种形式，在线淬火和离线淬火。在线淬火一般适用于6系和铜元素含量较低的7系合金小规格挤压材或薄壁型材。对大规格厚壁挤压材在线淬火的可行性进行了的相关试验和分析，阐述了大规格厚壁挤压材实现在线淬火达到的必要条件。关键词：大规格；挤压；棒材；余热；淬火中图分类号：TG166，TG146.21文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）04-0039-04doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.04.09作者简介：陈柏屹(1998-)，男，重庆人，本科，主要从事挤压工艺技术研究。收稿日期：2023-02-172023年第4期总第273期铝加工工艺技术 396082、6005、6005A 等 及 7系 合 金 中 的7005、7N01等2。对于铜含量高的高强2、7系合金来说，优化挤压工艺参数后能够满足前面两个条件，而最后一个条件即淬火敏感性（淬火速度的变化）主要是由合金的导热性决定的，其与合金成分有密切的关系3，不同的合金有不同的淬火敏感性。6系、低铜含量的7系、2系和高铜含量的7系典型合金在不同温度下的导热系数见表1。表1典型合金不同温度下的导热系数合金6061700520247075状态T6T6T4T6导热系数/W(mK)-1167137121130温度/25202525从表中可以看出，如果在相同温度的同等条件下，6061合金、7005合金比2024合金、7075合金的导热性能更好（7005合金在20时的导热系数为137 W（mK）-1，当在同等温度25时，导热系数将大于137W（mK）-1），因而6系合金和低铜7系合金淬火敏感性更低，可以在温度范围较宽的条件下达到较好的淬火效果；而 Al-Cu-Mg 和 Al-Zn-Mg-Cu 的高强 2系、7系等合金导热性更差，体现出淬火的敏感性会更高，一般不采用在线淬火，实际生产中均采用离线淬火，即重新进入专用加热炉加热到一定温度、保温一定时间后淬火。1.2 大规格挤压棒材在线淬火分析铝合金挤压材达到固溶淬火的前提条件是固溶充分和有较大的冷却速度和足够的冷却强度。目前挤压材在线淬火的冷却方式一般为吹风、喷雾或水冷方式进行的固溶淬火。对大规格挤压棒材来说，采用在线淬火冷却强度不够，挤压材出淬火区域时的中心温度不能快速有效下降，内部温度较高达不到较好的固溶效果，因此大规格厚壁挤压材一般采用离线淬火固溶。根据挤压金属变形原理，大规格挤压棒材内外金属变形程度存在差异，外层变形程度大，因而导热性比内层差。试验数据显示，大规格棒材离线淬火后内、外部金属力学性能数据偏差较大，表2为280 mm的7075合金棒材离线淬火人工时效后同一段面不同区域力学性能数据，从表中可以看出外部金属力学性能比中心部位金属力学性能抗拉强度高约25%左右，非常不均匀。离线淬火的高强2系、7系合金棒材锯切或取低倍试样时会有一定比例的开裂情况，且常有客户提出该类棒材使用中存在开裂质量问题。因此从以上分析可以看出离线淬火时外层金属冷却强度过大，实际生产中可以延缓淬火冷却速度。表2280 mm的7075合金棒材线离淬火段面不同区域的力学性能数据规格/mm280合金状态7075-T6取样位置外圆离外圆1/4半径离外圆2/4半径离外圆3/4半径中心抗拉强度/MPa567548516438413屈服强度/MPa479474434223277延伸率/%14.014.512.013.512.5为了得到大规格棒材在空气中降温数据，进行了如下降温试验，把不同规格各1 mm长的棒材加热到 500，然后出炉空冷，每 5 min 测一次温度，数据见表3。表32A12合金棒材降温试验数据/规格/mm300400450停放时间/min049949849854874894901047648048315466473477204584674712545146046530445454460354394484544043344244945427437446大规格棒材出炉后温度在前15 min降温幅度大，高达2133，平均降速约为1.8/min；随着时间延长降温速度减慢，30 min 时降温达到3854，平均降速约为1.3/min；45 min时降低5572，最后15 min段降速约为1.2/min。从该试验看出，大规格棒材表面降温速度与棒材直径反相关，与表面实际温度正相关。因此从这一结果可以推断出，适当控制挤压参数，当大规格陈柏屹，等：大规格厚壁挤压材在线淬火可行性研究工艺技术 40棒材低温段（前段）温度能够控制到大于413，就满足固溶淬火的条件（只要试算结果证明所需淬火制品在淬火时其温度都高于413，淬火转移可以超过最大转移时间6），所以大规格厚壁挤压材在线淬火理论上能够固溶充分。大规格棒材挤压速度一般比小规格棒材或薄壁型材慢，在大规格棒材进入淬火区域时表面温度一般比离线淬火温度更低，因此淬火时棒材外部金属和内部金属温度下降速度差异性比离线淬火时小，淬火后棒材横端面上的力学性能更均匀，同时也减少了淬火应力。目前国内在线淬火冷却方式对大规格挤压材不能实现快速降温并达到充分的冷却强度，需要在线淬火工装上进行优化试验。2试验方法及试验结果2.1 试验方法在挤压道路出口安置一根大规格水管，选用2A12合金，280 mm棒材试验，当棒材挤压出道路时开启水管阀门，冷水直接对棒材冲刷冷却淬火。试验结果为棒材弯曲度严重、直接冲水面性能和棒材直径对应面性能差距大，最高达20%。优化挤压工艺，提高挤压温度和挤压速度，同时在挤压道路出口安置2根大规格水管，进行二次试验，如图1所示。图1导路出口安置两根冷水管示意图试验料选用选用2A12合金，320 mm棒材。当棒材进入道路时，开启水管阀门，直到挤压完成。试验结果为棒材弯曲度得到一定的改善，但是棒材力学性能偏低（见表4），主要原因是挤压棒材整体冷却强度不够，同时因挤压完成后需切残料和推下一个铸锭进挤压筒的工序，使得上一根挤压出的棒材某段（或尾段）在出道路口时有一定的停留时间，该段同其它部分段的冷却强度不一样，造成棒材整体力学性能差异较大。表4大规格2A12棒材在线淬火试验数据规格/mm320GB/T 3191（150）合金状态2A12-T4取样位置B1B2B3B4W1W2W3W4抗拉强度/MPa362413300335415455370415420屈服强度/MPa223265207190332318296280255延伸率/%12.011.510.513.512.511.08.59.012注：B为头端，W为尾端。表4中看出主要问题是力学性能波动大，头端强度比尾端低4080 MPa。主要原因是冲水冷却前棒材料温头端温度偏低，头尾温度偏差 30 或40，淬火强度不够和不稳定所致。从表中看出B2、W1、W2、W4等数据与国标直径150 mm的指标420 MPa相近，因此实际生产中需要再进一步优化工艺和优化淬火工装（如进一步提高铸锭加热温度、增大挤压速度、加长淬火区域、提高淬火流量等），从而达到挤压材冲水冷却淬火前的温度较高、温差小以及足够的冷却强度的条件。3结论（1）铜含量高的高强2系、7系合金小规格挤压材或薄壁型材不适合在线淬火。（2）优化挤压参数和满足冲水淬火强度的情况下，当大规格厚壁挤压材冲水淬火前的温度满足大于413 时，在线淬火后强度能够满足用户使用需求。（4）大规格挤压棒材在线淬火工序更短、节约能耗显著，同时缩短了生产周期。参考文献1徐兆永.铝合金挤压在线技术J.工程技术，2016，50：232-233.2刘静安，陈刚，姚毅中.铝合金挤压在线淬火技术(续)J.有色金属加工，2010，39（2）：36-42.2023年第4期总第273期铝加工工艺技术冷水管 41Feasibility study on on-line quenching of large size thick wallextruded materialChen Baiyi,Wang Xiaogang,Chen Qing(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)Abstract:The solid solution quenching of aluminum alloy extrusion material is generally in two forms,online quenching and offlinequenching.On-line quenching is generally suitable for small size extrusions or thin-walled profiles of 6 series and 7 series alloys with low copper content.The feasibility of on-line quenching of large-size thick wall extruded material is tested and analyzed,and the necessary conditions for on-line quenching of large-size thick wall extruded material are expounded.Key words:large size;extrude;rods;waste heat;quench3刘煜，刘静安，刘志铭.某些高强度铝合金的淬火敏感性研究J.铝加工，2019，250（5）：58-61.4AA美国铝业协会.铝标准和数据公制第二版M.邱成林，杨家翠，邵秀兰.重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1989：40-41.5王祝堂，田营璋.铝合金及其加工手册M.长沙：中南大学出版社，2005：323-325.6AMS2772 航空材料技术规范，S.美国铝业Q2营收26.84亿美元同比下降26%美国铝业公布的2023年第二季度财务业绩报告显示，二季度公司铝产量为52.3万吨，上一季度为51.8万吨；氧化铝产量为255.9万吨，上一季度为275.5万吨。每吨铝的实际平均价格为2 924美元，上一季度为3 079美元，环比下降5%；每吨氧化铝的实际平均价格为363美元，上一季度为371美元，环比下降2%。展望未来，美国铝业维持2023年铝出货量为250万260万吨、氧化铝出货量为1 270万1 290万吨的预期。能源供应保持稳定，6月末全国统调电厂存煤达到1.99亿吨的历史新高7月18日，国家发改委召开7月份新闻发布会。发改委政策研究室主任金贤东在会上作出表述：“能源供应保持稳定，特别是迎峰度夏电力供应保障有力，6月末全国统调电厂存煤达到1.99亿吨的历史新高。”从发电情况看，今年上半年全国规模以上工业发电41 680亿千瓦时，同比增长3.8%；其中火电、核电、风电、太阳能发电分别增长7.5%、6.5%、16%、7.4%。6月发电7399亿千瓦时，同比增长2.8%。从用电情况看，上半年全国全社会用电量同比增长5%。其中，一产、二产、三产和居民生活用电量分别增长12.1%、4.4%、9.9%和1.3%。分地区看，全国5个省（区、市）用电增速超过10%，16个省（区、市）用电增速超过5%。6月份，全社会用电量同比增长3.9%。国家发改委数据显示，上半年发改委审批核准固定资产投资项目91个，总投资7 011亿元，其中审批68个，核准23个，投向主要集中在能源、高技术、交通、水利等行业。鸿海子公司向铝合金龙头创新新材增资近3亿元鸿海8月8日晚间在台交所公告，子公司富联裕展科技（深圳）8月8日向创新新材料科技股份有限公司增资近3亿元人民币，每单位价格人民币4.51元，持股比例约1.53%。鸿海称此次为战略投资。创新新材为上交所上市公司，主要从事铝合金材料及产品的研发制造，产品包括棒材、型材、结构件、板带箔、铝杆线缆等。陈柏屹，等：大规格厚壁挤压材在线淬火可行性研究工艺技术/信息报道 42