铝合金板带材固溶、时效处理及其设备

吴双锁

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳471039)

铝合金作为一种高性能材料，广泛应用在航空航天、交通运输、建筑装饰、食品包装、生活日用品等各行各业。我国的铝合金研究与国外相比，不论是基础理论、工艺技术，还是技术装备水平及其完善程度都有一定的差距。本文从固溶和时效热处理角度出发，介绍铝合金基本固溶和时效热处理工艺及其主要设备。

1 固溶热处理及设备

1.1 固溶热处理(淬火)工艺

固溶热处理是获得过饱和固溶体的一种方法，它是在一定加热温度下将第二相全部或最大限度地溶入固溶体中，保温一段时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却，从而获得过饱和的溶质原子和空位。图1是一个典型的铝合金二元相图，成分为C0的合金，室温平衡组织为α+β。 α为基体固溶体， β为第二相。 合金加热至Tq时， β相将溶入基体而得到单相的α固溶体。 若温度降低至T0以下， 固溶体成为过饱和状态，超过平衡溶入量的溶质就有析出的倾向，在一定的条件下，多余的溶质就以β相的形式析出。

图1 铝合金的二元相图

铝合金固溶处理的加热温度一般为460～550 ℃,保温时间取决于铝合金的厚度和选用的设备。

加热温度在铝合金固溶处理工艺中是一个重要的参数，温度过高铝合金中的共晶体(低熔点的机械混合物) 会发生熔化(过烧) 和导致晶粒粗化(过热) ;若加热温度低于下限,一些强化相不能溶解,影响铝合金的强度。所以在不产生过烧和过热的情况下,要尽可能采用较高的固溶温度,提高固溶体的过饱和度，同时减少了粗大未溶结晶相，对于提高时效析出程度和改善抗断裂性能具有积极意义，是提高铝合金综合性能的一个有效途径。精确的控制设备的加热温度及均匀性是固溶热处理炉的重点。

淬火转移时间也是固溶处理比较关键的工艺参数，板带材从加热炉到进入冷却介质的间隔时间要求比较严格,转移时间过长将导致板材温度下降,发生部分固溶体分解,析出粗大疏松相,产生组织偏析,从而降低时效强化效果。因此，为了保证合金的性能，应尽量缩短淬火转移时间，一般铝合金工件固溶处理转移时间不超过10～20 s。

1.2 固溶热处理设备

国内铝合金板带材固溶处理设备多为盐浴炉，盐浴炉的优点是加热速度快，保温时间短，均匀性好，其加热速度是电炉的5～7倍，缺点是安全性差，如果发生安全事故后果相当严重。

国外比较先进的铝合金板带材固溶热处理设备有辊底式淬火炉和气垫炉，具有淬火均匀性好，板材变形小，安全等优点。辊底式固溶热处理炉一般用于厚度为3～200mm的板材的固溶处理，气垫炉一般用于厚度为0.2～30mm带材的固溶处理处理。

辊底式固溶热处理炉一般包括：上料辊道、加热段、淬火段、卸料辊道等， EBNER和OTTO JUNKER的辊底式固溶热处理炉采用天然气加热或电加热，可以处理2～200mm厚的板材，加热系统和温度由计算机控制，加热段炉温均匀性可以达到±1 ℃，板材温差控制在±2 ℃。有实验数据表明辊底炉的淬火均匀性优于盐浴炉，通过表1中7B04合金板材在盐浴炉中淬火和在辊底炉中淬火不平度的对比可以看出这一点。由于辊底炉的淬火转移时间短，所以淬火转移时间对板材的影响也比盐浴炉小得多，尤其是在淬厚度不大的板材时辊底炉的优势更为明显。图2为辊底式固溶热处理炉。

表1 7B04合金板材在盐浴炉和辊底炉淬火不平度对比

1.上料辊道，2.加热段，3.淬火段，4.卸料辊道

气垫式固溶热处理炉是一条由淬火炉和精整设备组合在一起的连续生产线，一般包括开卷机、切边机、热处理炉体、张力矫直机、卷取机等。气垫式固溶热处理炉的优点是生产效率高、带材表面质量好、产品质量稳定。图3为气垫式固溶热处理炉外形。

图3 气垫式固溶热处理炉

目前，国内引进并投产的辊底式固溶热处理炉有两台，一台由奥地利的EBNER公司设计制造安装在东北轻合金有限责任公司，另一台由德国的OTTO JUNKER公司设计制造安装在西南铝加工厂，该厂有国内第一条气垫式铝带连续热处理炉，是由美国Surface公司设计制造的。近些年国内热处理厂家也开始投入人力物力研制铝板带固溶热处理生产线，国内现有引进的铝板带固溶热处理设备为国内热处理设备厂家研究提供了一定便利条件，我们期待着国产铝板带固溶热处理生产线早日研制成功。

2 时效处理及设备

2.1 时效处理工艺

20世纪初人们发现铝合金工件刚淬完火后硬度并不高，和退火后差不多，只有在室温放置一段时间硬度才逐渐提高，经过研究铜铝合金发现，过饱和固溶体十分不稳定，溶于α为基体中的Cu在室温下析出CuAl2，使自己处于稳定状态，产生了无数的富铜区(GP区)片状物，弥散在金属晶体内部，阻碍了滑移，从而提高了合金的机械强度。

时效分为自然时效和人工时效，采用哪种时效方式要根据合金本性和用途而定。以Al2CuMg和CuAl2为强化相的铝合金采用自然时效，可以获得较高的强度，同时也能保持良好的塑性，且自然时效状态的耐腐蚀性也明显优于人工时效；但超硬铝合金一般不采用自然时效，因为该系合金GP区形成缓慢，自然时效过程往往延续几个月也达不到最高强度、相应的耐蚀性也差，所以7xxx系超硬铝合金一般采用人工时效。

需要进行人工时效的铝合金板带材主要为：2xxx、7xxx和部分6xxx系合金，人工时效温度都不高，一般在120～200℃之间，保温时间一般在4～16小时。

2.2 时效炉

时效炉一般包括：储料台、炉体、料车、自动化控制系统等部分。时效炉多采用低温电加热的箱式炉，炉温均匀性是一个比较重要的性能指标，国外时效炉的炉温均匀性可以达到±1℃。国内时效炉制造技术也比较成熟，其技术性能均能达到工艺要求。生产的厂家比较多，主要有苏州新长光热能科技股份有限公司、陕西安中机械等。图4为板材时效炉外形。

图4 板材时效炉

3 结论

随着铝合金材料的广泛应用，铝合金热处理基础理论和生产工艺的不断研究，对其热处理设备的要求也越来也高。国内的铝合金热处理设备在近些年发展较快，设备水平不断提高，但是与国外热处理设备相比在单位产量能耗、炉温均匀性和自动化控制等方面还有一定差距，这些是国内热处理设备厂家需要学习提高的地方。

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