淬火介質參數對鋁合金板材殘余應力水平的影響研究

孫 鵬，任 凱，劉一天

（隆達鋁業（武漢）有限公司，湖北 武漢 430000）

鋁合金具有高比強度、高模量、高耐蝕性等優點，被廣泛應用于航空航天等高端領域［1］。在變形鋁合金制備加工過程中，淬火過程是十分重要的一個工藝環節，其可以形成過飽和固溶體，從而在后續的時效熱處理過程中充分沉淀析出，實現較高的綜合性能。然而，為了形成理想的過飽和固溶體，通常需要較高的淬火強度，導致淬火后形成較高的殘余應力水平［2］。

淬火參數會影響淬火殘余應力的分布與水平，其中一個重要影響因素是淬火介質，介質種類、介質溫度和介質濃度等。常用的淬火介質有水、PAG溶液、淬火油、鹽溶液等，ZHANG等對不同淬火介質種類下的冷卻能力和表面殘余應力進行研究［3］，發現冷卻能力大小依次為鹽溶液、水、淬火油，油淬后的殘余應力水平最低。最常用的淬火介質是室溫水，可以通過調節水溫獲得不同的冷卻速率，從而產生不同水平的淬火殘余應力［4］。LIN等對不同水溫淬火表面殘余應力進行了鉆孔法測試［5］，結果表明水溫從40℃升至80℃時7075鋁合金厚板殘余應力水平降低了30%。PAG由于在水中具有逆溶性，可以有效地抑制高溫段的冷卻速率，達到降低殘余應力水平的目的。申坤等采用鉆孔法和X射線衍射法對2A12鋁合金表面殘余應力進行測試［6］，結果顯示PAG溶液淬火后殘余應力明顯降低。Jeanmart等在研究70 mm厚度7075鋁合金厚板的厚向應力分布時［7］，發現采用80℃水淬時表面和心部應力消減率都達到60%。本文采用鉆孔法測試不同淬火介質、不同水溫以及不同濃度PAG溶液的淬火殘余應力，分析淬火介質對殘余應力水平與分布的影響規律，為淬火介質的選擇提供試驗依據。

1 試驗過程

采用鋁合金板材固溶制度為470～475℃/2 h，所有試驗組均采用浸入式淬火。在浸入式淬火過程中，為保證過程穩定、可控及可重復，轉移時間應不超過3 s，淬火過程無任何攪拌與外界干擾，容器保持一致，冷卻水量充足，淬火結束溫升小于3℃。

淬火態殘余應力測試采用鉆孔法，鉆孔法測試設備為濟南西格馬RSD1型殘余應力鉆孔裝置和ASMB2-32型靜態應變采集設備，用于應變采集的三軸應變花型號為BSF120-1.5CA-T，靈敏度1.08±0.5%，阻值120±0.5Ω，鉆孔法測試設備主要包括靜態應變采集設備和鉆孔設備。

為提高鉆孔法測試精確度，降低測試誤差影響，需規范鉆孔法測試過程操作，如下：（1）使用600＃砂紙打磨試樣表面，打磨后用酒精與脫脂棉清洗表面，保證待測表面的光潔度；（2）在應變花底面均勻涂抹膠水，粘貼時輕輕擠壓應變花，使應變花與試樣表面充分且均勻接觸，凝固后在應變花外側粘貼屏蔽固定圈，將應變花引出線與屏蔽導線焊接在固定圈上，再將導線連接至靜態應變采集儀，最后將補償試樣連接補償通道，打開應變儀，觀察應變示數是否存在異常與波動；（3）采用顯微鏡對中應變花中心孔，之后固定鉆具。鉆孔前采用Φ1.5 mm的端銑刀銑去應變花中心區域。通過2 mm墊片確定深度定位圈位置，先用Φ1 mm麻花鉆鉆孔，后用Φ1.5 mm麻花鉆擴孔，最后待應變示數穩定后讀取數據；（4）拆卸鉆具，通過孔深和對中度判斷測試結果的有效性。

2 試驗結果與分析

2.1 水溫對淬火殘余應力的影響

不同水溫下表面淬火殘余應力如圖1所示，可以看出隨著水溫的升高，表面淬火殘余應力逐漸降低，水溫低于60℃時緩慢降低，之后迅速降低。20、40、60、80℃水淬的x向分應力（長向）分別為-172.5、-158.1、-132.6、-69.8 MPa，y向分應力（寬向）分別為-198.8、-176.6、-150.0、-80.3 MPa，x向分應力略低于y向分應力。不同水溫下表面殘余應力降低比例見表1，由表1可知，相對于20℃水淬應力，40、60、80℃水淬的x向分應力分別下降8.4%、23.1%和59.5%，y向分應力分別下降11.2%、23.6%和59.6%。

表1 不同水溫下表面殘余應力降低比例

圖1 不同水溫下表面淬火殘余應力

2.2 PAG溶液濃度對淬火殘余應力的影響

不同PAG濃度下表面淬火殘余應力如圖2所示，可以看出隨著PAG濃度的升高，表面淬火殘余應力逐漸降低，濃度低于5%時迅速降低，之后緩慢降低。5%、10%和15%PAG溶液淬火的x向分應力分別為-97.2、-79.0、-46.7 MPa，y向分應力分別為-126.1、-98.4、-80.7 MPa。不同PAG濃度下表面殘余應力降低比例見表2，由表2可知，相對于20°C水淬應力，5%、10%和15%PAG濃度下的x向應力分別下降43.7%、53.2%和72.9%，y向應力分別下降36.6%、50.5%和59.4%。

表2 不同PAG濃度下表面殘余應力降低比例 %

圖2 不同PAG濃度下表面淬火殘余應力

2.3 介質種類對淬火殘余應力的影響

不同淬火介質下表面淬火殘余應力如圖3所示，10%NaCl＋KNO3溶液淬火的x向和y向分應力分別為-196.0 MPa和-239.9 MPa，可以看出不同淬火介質的淬火強度順序為：10%NaCl＋KNO3溶液＞20℃水＞5%PAG溶液。不同淬火介質下表面殘余應力降低比例見表3，由表3可知，相對于20℃水淬應力，鹽溶液淬火的x向和y向分應力分別上升13.6%和20.7%，5%PAG溶液淬火的x向和y向分應力分別下降43.7%和36.6%。

表3 不同淬火介質下表面殘余應力降低比例%

圖3 不同淬火介質下表面淬火殘余應力

3 討論

調控殘余應力的主要方式是改變表面換熱系數，表面換熱系數的調節可通過改變淬火介質參數實現。上述不同淬火介質參數對殘余應力的影響主要是由于不同的淬火介質參數具有不同的換熱能力，即換熱系數分布。為了更清晰地對淬火介質參數與殘余應力的關系進行討論，通過反算法計算獲得的不同淬火介質參數下的換熱系數如圖4所示，由圖4可知，隨著水溫或PAG濃度的升高，換熱系數逐漸降低，較低的換熱能力有利于抑制殘余應力水平，從而展現出圖1和圖2中殘余應力隨水溫和PAG濃度的變化規律。

圖4 不同淬火介質參數的換熱系數對比

通過圖4對比不同淬火介質種類的換熱系數差異，首先是20℃水和鹽溶液的換熱系數對比，由圖4可知鹽溶液的換熱系數整體高于20℃水。這是由于高溫試樣附近的液體會急劇氣化并在試樣表面形成蒸汽膜，降低試樣的冷卻速率，而鹽溶液在形成蒸汽膜的同時還會從溶液中析出鹽晶體，其存在會導致蒸汽膜無法完整存在，增大試樣與冷卻介質的接觸面積，從而提高冷卻能力。

由圖4中20℃水和15%PAG溶液的換熱系數對比可知，在膜態沸騰區PAG溶液的換熱能力高于20℃水，而在核態沸騰區PAG溶液的換熱能力遠低于20℃水。在淬火過程中，當試樣周圍的淬火液溫度升到PAG溶液的濁點后，PAG聚合物就會從溶液中脫溶形成細小的液珠。PAG聚合物的潤濕性較好，脫溶析出的PAG液珠易于粘附在試樣表面形成PAG膜。在膜態沸騰區，試樣表面PAG膜代替蒸汽膜傳遞熱能，大幅度提高該階段換熱能力。在核態沸騰區，PAG膜會阻礙核態沸騰換熱過程，降低試樣表面換熱效率，達到抑制淬火殘余應力的目的。不同程度的冷卻速率主要通過控制PAG膜的覆蓋率和厚度，這是通過控制PAG濃度實現的。

4 結論

淬火介質參數對淬火殘余應力的影響規律為：隨著水溫的升高，淬火殘余應力逐漸降低，與20℃水淬相比，80℃水淬后殘余應力降低比例約60%；隨著PAG濃度的升高，淬火殘余應力逐漸降低，與20℃水淬相比，15%PAG淬火后殘余應力降低比例最大達72.9%；在各淬火介質參數下7055鋁合金厚板淬火殘余應力水平為10%NaCl＋KNO3溶液＞20℃水＞5%PAG溶液，其中10%NaCl＋KNO3溶液淬火后應力水平較20℃水淬提升約20%。