6061鋁合金瓶體固溶處理時冷卻過程分析及工藝優化

謝洪波

(上海氦格復合材料科技有限公司，上海 201315)

6061鋁合金瓶體固溶處理時冷卻過程分析及工藝優化

謝洪波

(上海氦格復合材料科技有限公司，上海 201315)

摘要：以6061鋁合金復合氣瓶內膽的固溶處理為例，分析其冷卻過程，指導優化固溶處理工藝，并對瓶體的物理檢測提出建議。

關鍵詞：Al-Mg-Si合金；瓶體；固溶處理；冷卻方式

引 言

固溶時效處理是提高6061鋁合金強度的有效手段。目前對6061鋁合金板材和擠壓棒材的固溶時效工藝研究較多，通常也是通過參考相關的研究成果來制定6061鋁合金內膽的固溶時效工藝。

但是鋁合金瓶體具有壁薄口小中空結構，固溶處理時冷卻過程不同于鋁合金板材，直接引用板材的固溶工藝往往達不到理想的結果。

本文以6061鋁合金復合氣瓶內膽的固溶處理為例，分析其冷卻過程，指導優化固溶處理工藝。

1 鋁合金內膽的制造工藝過程

內膽的外形如圖1所示。內膽由6061鋁合金板材通過塑性加工而成，加工成型工藝過程為：鋁板→剪圓→瓶坯拉伸→退火→瓶坯成型→齊口→收口(含銑孔)→固溶處理→時效處理→螺紋加工。

瓶體肩部和底部為半橢球體，肩部和底部的壁厚約為筒體壁厚的2倍。

圖1 氣瓶內膽示意圖

2 固溶處理原理及常用工藝

鋁合金中的合金元素溶于鋁形成以鋁為基的固溶體α(Al)，它們的溶解度隨溫度升高而增大。將鋁合金加熱至較高的溫度，保溫后迅速冷卻，可獲得過飽和固溶體，這種操作稱之為固溶處理，也稱為淬火。

固溶處理的加熱及保溫過程，目的在于使強化相充分溶解于固溶體中和使固溶體均勻化。冷卻過程目的在于獲得過飽和固溶體，改善鋁合金的韌性和塑性，并為隨后的時效處理提供組織準備。時效過程就是脫溶沉淀過程，從過飽和固溶體中析出包括GP區在內的各種過渡相或平衡的次生相，產生沉淀強化，可使鋁合金的強度和硬度大幅度提高。

有人以直徑為16 mm的6061鋁合金擠壓棒材為研究對象，得出適宜的固溶-時效制度為535 ℃，50 min固溶，水淬，180 ℃，6 h時效[1]。有人以4 mm厚鋁合金板材為研究對象，得出最佳固溶工藝為565 ℃，40 min[2]。

3 鋁合金瓶體固溶處理時的冷卻過程分析

常用的鋁合金立式固溶爐，加熱爐置于上部，爐門安裝在爐底，爐門下部為淬火槽。

固溶處理加熱和冷卻時，瓶體瓶口朝下垂直放置在不銹鋼制作的料框內。根據固溶爐、淬火槽以及瓶體的大小，料框可以考慮單層或多層裝料。

瓶口朝下垂直裝框，出于以下考慮：

(1)固溶后，瓶內冷卻水可以自動流出；

(2)瓶體沿對稱軸(縱軸)方向垂直入水，同一橫截面圓周產生的應力趨于均勻；

(3)瓶體沿對稱軸(縱軸)方向垂直入水，同一橫截面圓周冷卻條件相同，軸向對稱面的性能相近。

板材固溶處理時一般也是垂直入水，但是瓶體具有壁薄口小中空的結構特征，其入水冷卻過程有明顯不同于板材的特點。

板材是大平面實心結構，冷卻時熱量幾乎全部通過材料兩個外表面散失。瓶體是中空結構，入水冷卻時瓶內有高溫氣體，瓶口開孔小(固溶時瓶口未加工螺紋)，一般小于Φ16 mm，而且入水時瓶內氣壓只是略小于瓶口水面壓強，故冷卻水進入瓶內速度較慢。瓶體及瓶內高溫氣體的熱量在冷卻開始時主要是通過壁厚從瓶體的外表面散失。

固溶冷卻時，板材及瓶體的散熱示意圖如圖2所示。

圖2 板材及瓶體散熱示意圖

冷卻時，隨著瓶內氣體溫度降低，為保持氣壓穩定時氣體體積會減小，以及隨著冷卻時間增長，由瓶口進入瓶內的冷卻水會增加。但是，即使冷卻到室溫，瓶內仍會存在很多氣體，冷卻水并不能灌滿瓶內腔。

下面估算瓶內空氣體積占瓶體容積的比例：

設瓶體容積為V0，固溶溫度為540 ℃。入水前瓶內氣壓P0可視為1個大氣壓，氣體的絕對溫度T0為(540+273)K。在水槽內冷卻到30 ℃，此時瓶內氣體的絕對溫度T1為(30+273)K，體積為V1，氣壓P1等于1個大氣壓加上水深產生的壓力。

因為 1個大氣壓等于10.3 m水柱高，設瓶內水面深1 m，P1則等于1.1個大氣壓。

根據理想氣體狀態方程

PV/T=常量

則

P1V1/T1=P0V0/T0

計算可得，V1/V0=34%。

由此可見，瓶體冷卻中，隨溫度降低，瓶內氣體體積減少至V1，最后仍約為瓶體容積的34%，聚集在內腔底部?？梢哉J為瓶體下半部很多內壁在冷卻過程中沒有沾碰到冷卻水。

由于瓶體內存在高溫氣體以及氣體的導熱性能遠低于金屬材料和水，而且一方面冷卻水不容易通過瓶口進入瓶內，另一方面進入瓶內的冷卻水升溫后又難以通過瓶口流出進行熱交換。在同樣的冷卻條件下，瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。

由于瓶體頸部和肩部先垂直入水，又瓶體肩部通過瓶口可以逐步進入冷卻水，瓶體底部內腔始終保持有氣體空間，一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

4 鋁合金瓶體固溶處理工藝的優化

鑒于瓶體固溶處理冷卻過程存在以上特點，為達到固溶處理效果，減弱瓶體冷卻速度較低的不利影響，需要考慮優化固溶處理工藝。

4.1 固溶溫度

合金固溶溫度越高，在淬火過程中固定下來的固溶體晶格中空位的濃度越大，則固溶體的分解速度及硬化效果都將增大[3]。

一般固溶溫度越高，能使強化相更大限度溶入固溶體，但溫度過高會引起晶粒粗大，甚至發生過燒。

圖3 Al-Mg-Si三元相圖

6061材料屬Al-Mg-Si系合金，相圖如圖3所示[3]。在Al-Mg-Si三元系中，Mg2Si為穩定化合物，與鋁構成偽二元系。α(Al)-Mg2Si之間偽二元相圖如圖4所示[3]，Mg2Si在α(Al)中的固溶度隨溫度下降有明顯變化，共晶溫度為595 ℃。此外，在圖3中當Si含量較高或存在Si偏析時，會出現α(Al)+Mg2Si+Si三元共晶系，共晶溫度為558 ℃。

圖4 Al-Mg2Si偽二元相圖

為防止低溶點共晶體在加熱時熔化(即出現過燒)以及晶粒過分長大，6061鋁合金的固溶溫度不是越高越好，一般采用540～545 ℃。

固溶溫度530 ℃以下，固溶不充分；固溶溫度550 ℃以上，晶粒易粗大，晶粒度達1～3級；固溶溫度560 ℃以上，容易出現過燒。

4.2 淬火轉移時間

工件從加熱爐至淬火槽中所經歷的轉移時間應盡量減少，轉移時間過長，過飽和固溶體將在轉移過程中發生分解。

一般規定，鋁合金厚度小于4 mm時，淬火轉移時間不得超過30 s，當成批工件同時淬火的數量增多時，轉移時間可增長[4]。

實際工作中發現，轉移時間控制30 s，瓶體固溶效果并不滿意，應該縮短轉移時間。采用鋁合金立式固熔爐，可以控制轉移時間為10 s。

4.3 水溫控制

6061鋁合金最常用的淬火介質是水。水的淬火冷卻特性與水溫有關，冷卻速度隨水溫升高而降低。水溫過低，工件在淬火時產生較大的內應力，易導致變形或開裂。故在實際生產中冷卻水的溫度一般保持在10～35 ℃。

冷卻能力對水溫的變化很敏感?？刂评鋮s水的初始溫度容易實現，但熱工件浸入水中，水溫會瞬時升高。為了保持水溫：一是淬火槽要有足夠的容量，一般應為瓶體總容積的10倍以上，還要考慮料框的體積和散熱。如果淬火槽容量不夠大，應減少裝爐量;二是淬火槽應有冷卻水循環和攪拌裝置。一方面，用泵不停地以一定流量從槽體下部抽進冷水，讓熱水從水槽上部的管道流出，促使淬火槽內水的流動和更換;另一方面，通過攪拌裝置增加水的流動速度，控制水的流動方向，使淬火槽內水溫均勻，有效提高水的冷卻能力，改善淬火效果。三是冷卻過程中應時常上下抖動料框，不僅可以促使槽內水的流動和熱交換，更重要的作用是可使瓶內氣體逸出和瓶內熱水流出，改善瓶壁的冷卻條件。

高溫瓶體入水，水會被汽化而在瓶體表面形成蒸汽膜，蒸汽膜的導熱性較差，使冷卻速度降低。水的循環流動和料框的抖動，也可以促進蒸汽膜的提早破裂，提高冷卻能力。

淬火槽如果安裝有溫度顯示裝置，更有利于實時了解水溫，更能保證有效控制水溫。

實踐表明，水溫初始溫度15～30 ℃，淬火后水槽溫度不超過35 ℃時，6061鋁合金瓶體淬火效果較好。

4.4 冷卻時間

當瓶體溫度冷卻到50 ℃以下，就可以將料框吊離水槽，這時瓶體上水分有冒熱氣，基本能自行揮發干，而瓶體又不至于燙手。

瓶體壁厚很小，一般只有幾毫米，對冷卻時間影響不大。冷卻時間主要取決于冷卻速度，冷卻速度大，則冷卻時間小。但要說明的是，當冷卻速度低于臨界值，即使長時間增加冷卻時間，也不能提高淬火效果。

在8 m3的淬火槽中，一次裝框100只容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體，固溶冷卻時間一般為3～4 min，視情況可以適當延長。雖然瓶壁較薄，但瓶體內的高溫氣體冷卻速度慢，瓶體淬火冷卻時間應大于同厚度的板材。

冷卻時間不夠，造成瓶體余溫高，固溶效果不佳；冷卻時間過長，沒有實際意義。

5 固溶工藝優化前后之性能比較

以設計壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金內膽的固溶時效為例。初始工藝和改進工藝如表1所示。

表1 初始工藝和改進工藝對比

按初始工藝處理和改進工藝處理，瓶體力學性能分別如表2，3所示。

表2 瓶體力學性能(初始工藝)

表3 瓶體力學性能(改進工藝)

從表2和表3的數據看，改進工藝后強度有明顯提高，塑性沒有降低。

要注意的是，熱處理后的力學性能是固溶溫度、保溫時間、轉移速度、水溫、淬火方式、冷卻時間等多種因素共同作用的結果，審視和優化熱處理工藝時應考慮各因素的影響。

6 鋁合金瓶體的物理檢測

鋁合金瓶體的物理檢測包括力學性能測試(硬度、Rm,Rp0.2,A)和金相檢查(過燒)。

瓶體只有在固溶并時效處理后才能獲得最佳的力學性能，故在瓶體固溶后就測試力學性能沒有意義，應在時效完成后進行。前面已分析過，在實際使用時筒體是瓶體的薄弱部位，固溶時效后應在筒體上測試力學性能。

由于瓶肩先入水冷卻，而且瓶體內腔存在高溫氣體，容易造成瓶肩的冷卻速度大、瓶底的冷卻速度小，致使瓶體的上、中、下部位的性能存在差距，當淬火槽內水的流動性差時，這種性能差距更明顯。一般筒體上部(近肩部)硬度高、下部(近底部)硬度低，從而上部的強度高、塑性小，下部的強度低、塑性大。

6.1 力學性能測試

鋁合金瓶體壁薄中空硬度低，選擇合適的硬度測試方法很關鍵，既要保證測量結果準確，還要瓶體外形尺寸受壓不變、壓痕小、效率高。一般常選用HV1,HV5，HBW1/10，HRB或表面洛氏硬度。里氏硬度雖然操作簡單、壓痕小、效率高，但不適用，測量誤差很大。

硬度應在筒體的上、中、下3個部位檢測。如果硬度壓痕很明顯，應打磨，并保證瓶體的最小壁厚。

拉伸試樣(測強度Rm，Rp0.2和斷后伸長率A)應在筒體的中部沿縱向取樣，尺寸要符合相關標準規定，以保證測量數據的可比較性。

6.2 金相檢查

金相要檢查的組織過燒情況，一般取決于原始組織、固溶溫度和固溶保溫時間，與冷卻過程和時效過程無關。

考慮到瓶體熱旋收口時也容易因加熱溫度高而生產過燒，金相取樣一般在瓶肩靠近瓶頸處取樣。如果要確定過燒是由于固溶溫度過高或保溫時間過長造成，則應在筒體取樣。

還有可能因為溫度儀表故障或者熱處理爐內局部實際溫度偏高造成過燒，并不是固溶工藝不合理造成的。因此發現過燒，要從熱加工過程、固溶工藝、熱處理設備等多方面分析原因，找出真正的原因，不要一味來調整固溶工藝。

7 結 論

(1)由于瓶體存在口小中空結構，淬火時在同樣的冷卻條件下，瓶體的冷卻速度低于同厚度板材。由于瓶體頸部和肩部先垂直入水，又瓶體底部內腔始終保持有氣體空間，一般瓶體的上半部(靠近肩部)比下半部(靠近底部)冷卻速度大。

(2)考慮到瓶體冷卻過程中的特點，可以通過調整固溶溫度、轉移時間、水溫、冷卻時間來優化固溶工藝。設計壁厚為2.2 mm、容積為6.8 L的6061鋁合金瓶體，推薦固溶溫度540～545 ℃、保溫70 min、轉移時間10 s 、水溫15～30 ℃、冷卻時間3～4 min。

(3)對固溶時效后瓶體進行物理檢測時，由于筒體各部位冷卻速度差距，致使瓶體的上、中、下部位的性能也可能存在差距。此外，熱加工過程、固溶工藝、熱處理設備等都有可能造成過燒，要多方面進行原因分析。

參考文獻：

[1] 項勝前，周春榮，郭加林，等.固溶-時效對6061鋁合金擠壓棒材組織和性能的影響[J].輕合金加工技術，2011，39(4)：31—35.

[2] 李慎蘭，黃志其，蔣福利，等.固溶溫度對6061鋁合金組織和性能的影響[J].材料熱處理學報，2013，34(5)：131—135.

[3] 張寶昌.有色金屬及其熱處理[M].西安：西北工業大學出版社，1993.

[4] 中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊[M]. 第四版.北京：機械工業出版社，2008.

收稿日期：2018-01-26

作者簡介：謝洪波(1971—)，男，工程師。電話：15852662030；E-mail：jxxhbydx@sina.com

中圖分類號：TG146.21；TG156.92