隨著有色金屬技術(shù)的發(fā)展，鋁和鋁合金以它特有的優(yōu)勢愈來愈廣泛的用于航空工業(yè)和民用建筑、醫(yī)療、食品包裝等行業(yè)。鋁合金的熱處理技術(shù)已發(fā)展成為熱處理學(xué)科中的一個重要組成部分。
鋁合金熱處理包括：鋁合金退火、時效、均勻化、固溶熱處理等。隨著鋁合金產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對鋁合金熱處理質(zhì)量不斷提出更高的要求，本文將對鋁合金熱處理技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵問題進(jìn)行綜合分析和評述。
2 鋁合金的均勻化
在鋁板帶和鋁型材生產(chǎn)工藝中，鑄錠通過熱軋、擠壓可獲得坯料鋁卷帶、鋁型材。在鑄造過程中，雖然可以通過在鋁液中添加微量晶粒細(xì)化劑(Al-Ti-B)達(dá)到細(xì)化鑄錠晶粒的目的，但鑄錠的結(jié)晶組織還是不均勻。這是因為鋁液的凝固是從結(jié)晶器的內(nèi)壁開始，垂直于冷卻面的方向向鋁液內(nèi)部擴展，所以鑄造組織具有明顯的方向性；隨著鋁凝固層的增厚，傳熱系數(shù)減小，內(nèi)外晶核的形成和長大的不一致導(dǎo)致晶粒的形狀、位向和大小也隨之變化；凝固時金屬成分造成的偏析現(xiàn)象，晶粒四周和晶內(nèi)錳濃度的差異擴大了再結(jié)晶溫度區(qū)間，降低生核率，從而容易產(chǎn)生粗晶；鑄造時錠內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的縮孔和疏松組織。
在熱軋、擠壓過程中，由于熱加工變形與再結(jié)晶同時進(jìn)行，形成了以等軸晶粒為主的再結(jié)晶組織，可使鑄造的結(jié)晶組織不均勻狀態(tài)得到不同程度的改善。為了進(jìn)一步改善熱軋、擠壓的性能，提高熱加工后產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，許多鑄錠在熱加工之前均在鋁合金固相線下的溫度570～620℃進(jìn)行均勻化處理，使MnAl6相均勻析出，減小或消除晶內(nèi)偏析，以達(dá)到均勻化之目的。
2.1 軋制用坯錠、卷帶的二次加熱和均勻化生產(chǎn)線
(1)推進(jìn)式加熱/均勻化爐
對于具有熱軋能力的大型鋁加工廠的批量生產(chǎn)來說，用推進(jìn)式加熱/均勻化爐來進(jìn)行二次加熱和均勻化比較合適。根據(jù)工廠的實際情況可采用加料和卸料的全自動操作或半自動操作，鋁錠加熱電爐見圖1。
鋁合金的固溶熱處理
鋁合金的基本熱處理形式是退火與淬火時效。前者屬于軟化處理，目的是獲得穩(wěn)定的組織或優(yōu)良的工藝塑性；后者為強化處理，在淬火時使強化相充分地固溶在鋁材中，在隨后的時效過程中(又稱沉淀硬化)獲得最大的強化效果。因此，固溶熱處理的目的是通過淬火過程形成起硬化作用的過飽和固溶體(起強化作用的合金元素)，在固溶熱處理時，通常將鋁合金工件加熱到500～570℃，然后以最快的速度冷卻。
鋁合金固溶熱處理廣泛用于航空工業(yè)的飛機蒙皮、壁板、框架、聯(lián)接件等承力構(gòu)件，以及汽車工業(yè)中汽車鋁輪轂、發(fā)動機缸體、缸蓋、活塞等受力部件。
固溶熱處理爐的種類很多，主要型式為立式(圖4)和臥式(圖5)兩種。立式爐為周期式淬火爐，臥式爐為連續(xù)式淬火爐。
4 鋁合金退火
鋁合金退火分為板帶材退火和箔材退火。退火的目的：消除冷加工硬化以便繼續(xù)進(jìn)行軋制或深度加工；控制產(chǎn)品的狀態(tài)和性能；清除軋制油，提高表面質(zhì)量。
根據(jù)生產(chǎn)能力和規(guī)模，鋁材退火爐分為單體退火和退火爐群組成的退火生產(chǎn)線，見圖6、圖7。退火生產(chǎn)線一般由幾臺退火爐、復(fù)合裝卸料車、爐外料臺、冷卻室(有些爐子帶旁路冷卻器)組成。爐體采用大風(fēng)量風(fēng)機對鋁材進(jìn)行循環(huán)加熱，爐內(nèi)的導(dǎo)流裝置可有效保證氣流均勻的通過鋁材，使之加熱均勻，加熱器采用頂裝整體式結(jié)構(gòu)、拆裝、維修很方便。爐門開閉采用氣動壓緊式或機械傳動升降式，運行平穩(wěn)，密封性好。爐子的排油煙系統(tǒng)可有效地去除鋁材表面的油膜，調(diào)節(jié)爐內(nèi)的壓力。這種爐子的裝料量一般為10～50t。
[pagebreak] 鋁材退火爐是鋁合金熱處理中最廣泛采用的設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展和對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，對鋁材的退火提出了更高的要求，如退火產(chǎn)品的外形質(zhì)量、性能指標(biāo)的一致性?！ ⊥庑钨|(zhì)量包括起皮、氣泡、油斑、氧化腐蝕、表面光潔度等。內(nèi)在質(zhì)量包括力學(xué)性能、晶粒度、各向異性等方面。除退火工藝和設(shè)備外，產(chǎn)品退火以前的加工歷史，如配料成分、熔鑄工藝、冷加工率等，對退火產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量也有重要影響。
為了提高退火產(chǎn)品的質(zhì)量，在爐膛氣氛、爐溫控制、爐型等方面需要采取改進(jìn)措施。
?、賹δ承┨厥庖蟮耐嘶甬a(chǎn)品，可采用氧和水分含量極微的保護(hù)性氣體作為退火爐氣氛，以防止軋制油分子在揮發(fā)過程中裂解，產(chǎn)生碳?xì)浠衔锛坝坞x的微小碳粒，在產(chǎn)品表面產(chǎn)生油斑；同時可減少表面氧化膜的厚度，使產(chǎn)品退火以后基本保護(hù)原有的金屬光澤。
在使用保護(hù)性氣體時，先將爐加熱到150℃左右，裝料后充入保護(hù)性氣體進(jìn)行洗爐，然后升溫。在升溫期間，產(chǎn)品表面油膜揮發(fā)，并從排煙口排出，同時補充保護(hù)性氣體，以維持爐膛正壓。待油膜全部揮發(fā)后，進(jìn)行高溫加熱和保溫，使產(chǎn)品在較短時間內(nèi)再結(jié)晶，然后降溫出爐。
②真空退火是比較新的鋁合金退火技術(shù)，可以防止軋制油分子裂解、氧化和聚合，在真空退火時，先將爐子抽到一定的真空度，然后加熱，在加熱過程中需要充入少量保護(hù)性氣體用于驅(qū)除油氣，減輕真空泵的負(fù)荷，并加速熱量的對流傳遞。在冷卻開始階段，需要充入比正常運行更多的保護(hù)性氣體使?fàn)t膛保持微負(fù)壓或正壓，通過對流風(fēng)機和冷卻器快速將爐子冷卻下來。真空退火爐的密封要求嚴(yán)，真空泵容量大，對設(shè)備的要求較高，一般用于電解電容器的高純鋁箔退火。
3.1 立式爐(底裝料)
該爐型適用于小批量、多品種的鋁合金板材、型材、鑄件的生產(chǎn)。一般采用高架式爐型，移動式淬火槽車，爐門采用兩半對開式結(jié)構(gòu)，工件在爐內(nèi)采用懸掛式加熱，倍行程滑輪組或卷揚機能使工件快速下降，確保所需的淬火轉(zhuǎn)移時間。爐子的循環(huán)加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)確保淬火加熱時溫度均勻。該爐子和時效爐配在一起可形成淬火時效生產(chǎn)線(強化熱處理)，也可多爐組排列，共用一臺淬火槽車。該爐型由于技術(shù)先進(jìn)、操作靈活，目前應(yīng)用比較廣泛，但在設(shè)計中應(yīng)特別注意以下方面：
?、贍t內(nèi)溫度均勻性
固溶熱處理的特點決定了必須重視爐內(nèi)溫度的均勻性。選擇固溶熱處理溫度必須考慮防止出現(xiàn)過燒、晶粒粗化、包鋁層污染等弊病，盡可能采用較高的加熱溫度以使強化相充分固溶，但固溶熱處理溫度有一個高限和一個低限，如果溫度過高，合金中的低熔點組成物(一般是指共晶體)，在加熱過程中發(fā)生了重熔(過燒)；如果溫度過低，強化相不能完全固溶，而影響合金的強度。因此在熱處理規(guī)范上規(guī)定了固溶熱處理溫度的均勻性，要求在±3℃內(nèi)。
固溶熱處理的傳熱主要是依靠對流，因此爐內(nèi)氣氛的強制循環(huán)對同一批爐料實現(xiàn)迅速而均勻的加熱，以達(dá)到要求的溫度均勻性是首要條件。其它影響爐溫均勻性的因素還包括循環(huán)風(fēng)量的大小，循環(huán)次數(shù)的多少，以及循環(huán)氣流如何均勻地流過工件，導(dǎo)流系統(tǒng)的良好設(shè)計，保溫材料的選擇等。
?、诒貢r間
固溶熱處理加熱時間首先與合金性質(zhì)、原始狀態(tài)有關(guān)。因各種鋁合金的成分相似，所以對此不需特殊考慮，那么重點考慮的就是原始組織狀態(tài)。當(dāng)強化相比較細(xì)小時，因固溶較快，加熱時間可縮短。例如冷軋狀態(tài)的板材所需加熱時間較熱軋狀態(tài)的短，重復(fù)淬火則更短，而一般退火狀態(tài)因強化相較粗，保溫時間應(yīng)較長。另外，加熱時間和加熱介質(zhì)、零件尺寸、批量等因素也有直接關(guān)系。
?、鄞慊疝D(zhuǎn)移時間
工件從出爐到進(jìn)入淬火槽的間隔稱轉(zhuǎn)移時間，在轉(zhuǎn)移過程中，工作溫度下降可導(dǎo)致固溶體發(fā)生部分分解，從而降低時效強化效果，特別是增加合金的晶間腐蝕傾向。工件出爐后的溫度降低5℃，可導(dǎo)致強度下降20%，為此，在生產(chǎn)中應(yīng)盡可能縮短轉(zhuǎn)移時間，尤其對熱容量低的薄板來說，更為重要。一般淬火轉(zhuǎn)移時間為7～25s，視工件大小薄厚而定。
?、艽慊鹄鋮s速度
由于鋁合金中合金成分的溶解度隨著溫度的降低而急劇下降，所以鋁合金固溶體在淬火狀態(tài)下處于過飽和狀態(tài)，這樣便可以實現(xiàn)時效硬化。根據(jù)鋁合金的等溫分解曲線，為了避免過量固溶體產(chǎn)生任何沉淀，在淬火過程中，鋁合金件從固溶加熱溫度應(yīng)快速降到300℃左右，為達(dá)到理想的效果，應(yīng)保證足夠的冷卻速度。淬火介質(zhì)通常采用水或者聚二醇。為減少變形和內(nèi)應(yīng)力，水溫一般為20～50℃。
3.2 臥式鋁合金固溶熱處理生產(chǎn)線
這種生產(chǎn)線適用于大批量作業(yè)。典型的生產(chǎn)線有：連續(xù)鋁合金鍛件、鑄件固溶和時效(沉淀)熱處理生產(chǎn)線、懸浮式鋁合金帶材固溶熱處理生產(chǎn)線、鋁合金中厚板固溶熱處理生產(chǎn)線。
懸浮式固溶熱處理生產(chǎn)線可以處理0.2～2mm厚的帶材，帶材在通過加熱爐時浮動在熱空氣墊上，不與爐子接觸，以避免在帶材表面留下劃痕。帶材在離開加熱爐后立即淬火，淬火在一個氣液兩相冷卻系統(tǒng)中進(jìn)行。淬火介質(zhì)采用水和空氣，生產(chǎn)線上還備有熱空氣干燥器，保證帶材熱處理后完全干燥。
中厚板固溶熱處理生產(chǎn)線原理上與立式固溶熱處理爐相似，但當(dāng)大批量生產(chǎn)時提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗。具體工作程序為：采用真空吸盤將鋁板放在裝料臺上，根據(jù)合金牌號和板厚的不同，板材或連續(xù)通過加熱爐，或借助爐底輥的擺動在加熱爐內(nèi)加熱之后進(jìn)入淬火區(qū)和干燥區(qū)，最后到卸料臺，再由真空吸盤卸下。
連續(xù)臥式鋁合金固溶熱處理生產(chǎn)線有如下關(guān)鍵技術(shù)：
?、賴娚浼訜峒夹g(shù)
在加熱爐內(nèi)鋁板由上下分布的空氣噴嘴系統(tǒng)進(jìn)行快速均勻地加熱，噴射速度為30～70m/s，加熱速率為1mm/min，噴射加熱與其它加熱相比可以提高傳熱系數(shù)，達(dá)到快速升溫的目的。同時，均勻排列的噴嘴和精確地空氣導(dǎo)流可以得到最小的溫度允差。為了達(dá)到最佳效果，要合理設(shè)計噴嘴的角度、排列、大小和多少；高溫高壓高流率風(fēng)機，精確的循環(huán)系統(tǒng)以及特殊的密封系統(tǒng)。
?、趪娚淅鋮s技術(shù)
為了使固溶熱處理效果更好，臥式爐采用噴射冷卻技術(shù)代替立式水槽淬火。主要特點是高壓大流量噴水系統(tǒng)是噴射冷卻的主體，移動式噴嘴可滿足不同尺寸規(guī)格鋁板淬火的要求；上下噴嘴與鋁板之間的距離，水和鋁板的接觸點位置，上下噴水的一致性，噴嘴的形狀、角度等是能否保證鋁板快速冷卻、冷卻變形小的關(guān)鍵。
?、蹅鲃蛹夹g(shù)
連續(xù)固溶熱處理鋁板的最關(guān)鍵技術(shù)就是如何保證在整個熱處理過程中，鋁板不劃傷，無壓痕和鑲嵌物，保持鋁板的表面光滑。傳動刷輥既可保證鋁板表面質(zhì)量，又可保證鋁板與輥子之間有熱空氣流動，鋁板任意點加熱均勻。另外，分段傳動時的變頻調(diào)速、擺動傳動、伺服同步傳動等都是影響鋁板表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
在設(shè)備的組成上，均熱生產(chǎn)線一般由多臺均熱爐、冷卻室、裝卸料臺、復(fù)合裝卸料車、電控系統(tǒng)組成，采用電加熱或火焰加熱。在結(jié)構(gòu)上和操作上雖然與前面所述周期式均勻化爐有很多類似之處，但為了保證圓鋁錠的各項熱處理參數(shù)，同時也是為了達(dá)到某種熱處理形式所要求的效果，在設(shè)備的設(shè)計上還需要注意以下方面：
①熱處理能力
如何合理的利用空間，最大限度的發(fā)揮爐子的熱處理能力，這是爐子優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容。通常用于擠壓型材鋁錠的品種規(guī)格比較多，直徑從85～400不等，一般來說，對于同一種均熱爐，鋁錠的直徑愈大，長度愈長，裝爐量愈大，生產(chǎn)能力也就愈大。為了合理安排產(chǎn)量，首先我們要了解產(chǎn)品的生產(chǎn)大綱和規(guī)格，既要考慮爐子的生產(chǎn)率，又要考慮爐子的使用率，同時兼顧爐子的規(guī)模、造價和成本。在一種爐型上兼顧處理長棒料和短棒料兩種料時，合理安排裝爐量更顯得尤為重要。
?、诰鶆蚧瘯r間
這是工藝問題也是生產(chǎn)能力問題。均勻化時間根據(jù)鋁合金牌號而定，一般為4～6h(不含升溫時間)。小于這個時間，會造成產(chǎn)品晶粒不均勻，型材的性能出現(xiàn)質(zhì)量問題，影響成材率。大于這個時間，會造成二次晶粒長大和生產(chǎn)能力降低等問題。
?、劾鋮s
鋁錠均熱后冷卻有兩個目的：第一是快速降溫，提高爐組的生產(chǎn)率；第二是改善鋁錠的擠壓性能。由于鋁錠的擠壓性能受冷卻速率影響甚大，因此要根據(jù)鋁錠的品種、長短配備不同類型的冷卻設(shè)備，以滿足各種鋁錠均勻化的需要，冷卻通常分為水冷、氣冷和水氣混合冷卻。在冷卻過程中，既要保證鋁錠快速、均勻的冷卻，又要減少鋁錠的變形。冷卻速率的控制很重要，可以采用噴射冷卻反饋技術(shù)，通過流量、壓力和溫度的反饋控制達(dá)到上述目的。
?、軓?fù)合裝卸料車的轉(zhuǎn)移與自動對位
鋁錠均熱生產(chǎn)線一般配備多臺爐組和冷卻室、裝料臺等，復(fù)合裝卸料車可實現(xiàn)爐料在爐子、冷卻室和裝料臺之間的相互轉(zhuǎn)移。為了實現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動化操作，要求復(fù)合裝卸料車具有自動準(zhǔn)確的尋址功能(自動對位)、防慣性功能和與爐子的連接功能。根據(jù)工藝要求，復(fù)合裝卸料車可分為二維、三維和可逆復(fù)合裝卸料車等幾種類型，特點是爐外停放，減少爐子的能耗、一機多用、異地操作、簡單方便、運行平穩(wěn)精確。
周期式均熱爐一般以爐組形式出現(xiàn)，采用復(fù)合裝卸料車對每臺爐子進(jìn)行加料和轉(zhuǎn)移，另外還需配備大型的翻錠機構(gòu)，在實際操作時，由天車與翻錠機構(gòu)配合，將鋁錠轉(zhuǎn)移到復(fù)合裝卸料車上，然后由它向各爐子加料和卸料。爐子上配備有大風(fēng)量的對流循環(huán)系統(tǒng)和先進(jìn)的溫控系統(tǒng)，保證鋁錠在均勻化時各部位溫度均勻，這種爐子一般裝爐量為30～60t。
為了保證這種爐型鋁錠加熱后的均勻化效果，必須有效的控制固相線下溫度、溫度均勻性和均熱時間。因爐體溫度相對退火爐較高，所以對風(fēng)機的材質(zhì)提出了較高的要求。另外，對循環(huán)系統(tǒng)、爐門密封和防止變形、爐內(nèi)支撐受力的狀態(tài)等，也是我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計上重點考慮的問題。
2.2 擠壓鋁錠的均熱生產(chǎn)線
為了進(jìn)一步提高鋁合金型材的內(nèi)在質(zhì)量，使產(chǎn)品上檔次，鋁錠擠壓前都采用均勻化工藝(均熱)。由于鋁錠規(guī)格和品種的不同，分為短錠均熱和長錠均熱兩種，短錠一般為600～700mm，采用料筐裝卸；長錠為(6～8）×103mm，每排料間由料墊隔開。根據(jù)型材的要求，圓錠直徑從85～400不等。鋁棒均熱爐如圖3所示。
在這種爐子的操作程序中，坯錠被放置在加料輥臺上，自動對齊后由翻錠機構(gòu)將坯錠翻起在墊塊上(也稱為熱靴)，沿滑軌向前推進(jìn)。推進(jìn)是由液壓推料裝置將坯錠推送過爐膛，由于這種爐子多數(shù)是連續(xù)作業(yè)，推料裝置與出料裝置同步進(jìn)行，推料裝置受出料端的溫度檢測信號控制。
該爐可以采用電加熱、氣體或油燃燒器進(jìn)行直接加熱，通過大功率軸流風(fēng)機進(jìn)行空氣循環(huán)，確保坯錠快速、均勻的加熱。溫度均勻性一般要求在±(5～3)℃，如此小的溫度允差使得坯錠在固相線下的高溫均勻化成為可能。采用先進(jìn)的智能化控溫儀表或計算機對坯錠進(jìn)行差溫加熱，縮短了均勻化的時間。
推進(jìn)式加熱爐一般由進(jìn)料翻錠裝置、推料裝置、爐體、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、出料翻錠裝置、換氣系統(tǒng)、溫度控制和檢測中心、料墊自動返回系統(tǒng)組成。
推進(jìn)式加熱爐的關(guān)鍵技術(shù)：
?、贌嵫?料托)：根據(jù)坯錠形狀的不同，熱靴的形式也有所不同，有分離型、組合型和整體型等。熱靴的選型對坯錠在進(jìn)出料、推進(jìn)和加熱過程中舉足輕重，熱靴的返回系統(tǒng)設(shè)計也不可忽視。
?、跍囟染鶆蛐砸约斑M(jìn)出料協(xié)調(diào)：選用恰當(dāng)?shù)难h(huán)方式和導(dǎo)流系統(tǒng)會改善溫度的均勻性。如針對不同的坯錠采用立式或臥式風(fēng)機裝置，或在風(fēng)道中適當(dāng)增加導(dǎo)流片來保證氣流在爐膛內(nèi)均勻分布。如何保證坯料在達(dá)到軋制溫度后適時出爐，溫度檢測和反饋控制是很重要的。為了準(zhǔn)確地反映和控制出料的時間，保證進(jìn)出料動作的協(xié)調(diào)，設(shè)備的結(jié)構(gòu)和重要部件的設(shè)計起著關(guān)鍵作用。
(2)周期式均熱爐
考慮到加熱各種品種和規(guī)格合金鋁錠的需要，周期式均熱爐要比推錠爐更適合生產(chǎn)的要求。周期式均熱爐可裝卸不同品牌、不同規(guī)格的合金錠，根據(jù)合金錠不同的工藝要求，將它們加熱到相應(yīng)的軋制/均勻化溫度。該種爐子使用靈活、適應(yīng)性強、可靠性高。鋁扁錠均熱爐如圖2所示。