湍流式攪拌在控制圓筒形薄壁鋁合金淬火尺寸變形中的應用

南京科潤工業介質股份有限公司(211100)孫清汝

北京控制工程研究所 (100190)許 東 殷寶森

薄壁鋁合金零件化淬火冷卻的過程中極易產生嚴重的變形，是熱處理工作者的棘手難題。采用湍流式攪拌裝置調節攪拌烈度是提高精密零件加工精度的一種全新熱處理方法。薄壁鋁合金零件采用人工攪拌調節進行固溶處理后攪拌烈度不均，易造成零件尺寸畸變的問題一直是制約生產加工的“瓶頸”。通過對薄壁鋁合金零件采用湍流式攪拌裝置進行固溶處理后，有效地改善了攪拌烈度，避免了固溶后出現的較大變形傾向，最終不僅達到淬火工件硬度、組織趨于均勻的目的，又能減輕工人勞動強度，保證產品質量，提高生產效率，延長了精密零件的使用壽命。

1.技術要求

4mm圓筒形薄壁鋁合金零件結構如圖1所示，原材料為2A12H112，最終的使用狀態為2A12T4。

從性能及尺寸測量數據看，2A12H112合金薄壁零件采用湍流式攪拌固溶處理后對零件的常規力學性能、金相組織以及變形量的影響都較小，提高了2A12合金薄壁零件的尺寸穩定性，滿足性能要求。

圖1 圓筒形薄壁鋁合金零件

2.原熱處理操作方法

采用傳統的手工操作，根據零件的形狀在靜止的淬火冷卻介質內上下或左右運動進行操作。

從常規檢測性能如表1所示。固溶后，薄壁鋁合金零件的屈服強度、抗拉強度及硬度均可滿足GB/T3191－1998要求的不小于255MPa和420MPa，及GJB1694－1993要求的不小于68HRB的要求。

表1 固溶處理后薄壁鋁合金零件的屈服強度、抗拉強度和硬度測量結果

金相組織如圖2所示。固溶后，薄壁鋁合金零件的金相組織為基底的α相與以彌散狀態析出的強化相S'相。

尺寸變形量如表2所示。固溶前，工藝要求零件內孔直徑為107+0.20+0mm，單邊加工預留量為1mm；固溶后，薄壁零件內孔直徑變形量達1.0～3.0mm。

圖2 固溶后的金相組織

表2 固溶后薄壁鋁合金零件的尺寸變形量測量結果

3.原因分析及改進措施

（1）原因分析 針對上述檢測結果分析原因：①采用傳統的手工操作，根據零件的形狀在靜止淬火冷卻介質中運動的操作方法易出現淬火變形較大現象，是因為淬火槽內上下介質溫度相差較大，給產品（尤其是薄壁零件）熱處理質量帶來隱患。由于介質的淬火冷卻特性與介質溫度有關，淬火槽內淬火冷卻介質相對靜止，冷卻速度會隨介質溫度的升高而降低，淬火槽內形成垂直溫差層，致使工件冷卻不均勻。②工件在靜止介質中淬火，表面極易形成蒸汽膜，影響淬火質量。工件剛進入淬火冷卻介質的瞬間，淬火冷卻介質立即被加熱而汽化，在工件表面形成一層蒸汽膜，由于蒸汽膜導熱性較差，極易在工件表面產生軟點或軟帶。③工人勞動強度大，生產效率低（特別是大件）。傳統淬火方法是：工件在淬火過程中必須人工在介質槽內上下或左右移動，破壞工件表面的蒸汽膜，以提高淬火冷卻介質的冷卻能力，同時增加淬火槽液溫度的均勻性。

（2）改進措施 傳統的淬火操作方法，由于手工操作在靜止的介質中運動，人為無法控制槽液溫度和提高淬火冷卻介質的冷卻能力，解決不了薄壁鋁合金零件易變形和易變形位置的攪拌烈度控制問題。因此，對薄壁鋁合金零件需采用湍流式攪拌使槽液溫度快速趨于均勻一致，提高淬火冷卻介質和工件間的相對流速，從而提高淬火冷卻介質的冷卻能力，適當調節攪拌烈度，減小了淬火時表面壓應力、內部拉應力不一致性而產生的淬火綜合應力，以期滿足工件最佳淬火尺寸穩定性。

通過改進攪拌裝置，發現淬火冷卻介質自下而上的湍流攪拌后，薄壁鋁合金零件固溶處理后硬度高而均勻，且淬火變形較小，還可以有效防止固溶開裂現象。

由于良好的攪拌不但可以調節淬火烈度，而且還顯著提高了淬火冷卻能力。因攪拌能夠造成淬火冷卻介質在淬火工件之間的強烈運動，以加快熱交換過程，使高溫階段蒸汽膜形成初期即被破壞，從而提高了工件在淬火過程中的冷卻速度，在低溫對流期也加速了熱量的傳遞。同時攪拌還可使整個淬火槽中介質形成一個較為均勻的溫度場和較為強烈的介質運動狀態，因此，有利于減少工件變形和降低淬火開裂風險；防止淬火冷卻介質局部過熱，也減緩了介質的老化，并提高其使用壽命。

綜合生產實際，薄壁鋁合金零件采用湍流攪拌進行固溶處理工藝方法，工作原理如圖3所示。

圖3 湍流攪拌淬火槽原理

該原理采用葉輪將淬火槽中的介質旋入介質管道內、增壓，通過管道經風冷卻后從導流槽（在淬火槽的中心位置）4個朝上出口噴出將介質循環回淬火槽中，從而保證循環液在足夠的沖擊區域內形成有效的自下而上的液流方向，由此造成介質循環翻騰攪拌的效果。

從常規力學性能看（如表3所示），薄壁鋁合金零件固溶處理后的屈服強度、抗拉強度及硬度可以保證工件的技術要求，滿足GB/T3191－1998標準中不小于255MPa和420MPa及GJB1694－1993硬度不小于68HRB的要求。

表3 薄壁鋁合金零件固溶后的屈服強度、抗拉強度和硬度測量結果

從金相組織看（如圖4所示），湍流與人工攪拌調節淬火后的金相組織基本相同，薄壁鋁合金零件的金相組織仍為基底的α相與以彌散狀態析出的強化相S'相。

圖4 湍流攪拌淬火后的金相組織

從尺寸變形量看（如表4所示），固溶前，工藝要求零件內孔直徑為107+0.20+0mm單邊加工預留量為1mm；湍流攪拌固溶后，薄壁零件內孔直徑變形量控制均在0.30～0.40mm。

表4 湍流攪拌固溶后薄壁深腔零件的尺寸變形量測量結果

4.結語

（1）薄壁零件采用湍流攪拌固溶處理后，使槽液溫度快速趨于均勻一致，加速了介質與工件間的相對流速，從而提高了淬火介質的冷卻能力。

（2）經湍流攪拌固溶處理后的尺寸變形量滿足技術要求。

（3）采用湍流攪拌固溶處理方法可以使表面與心部的降溫速度一同變慢，減小了溫度梯度，從而減小了零件表面壓應力、內部拉應力不一致性而產生的淬火綜合應力。

（4）減輕了工人勞動強度，使淬火工件的硬度、組織趨于均勻，達到了減小變形的目的，為后序加工創造了有利條件。

綜上所述，薄壁鋁合金零件選用湍流攪拌淬火后，可以有效保證淬火后零件變形尺寸，提高尺寸加工穩定性，滿足性能要求。