湍流式搅拌在控制圆筒形薄壁铝合金淬火尺寸变形中的应用

南京科润工业介质股份有限公司(211100)孙清汝

北京控制工程研究所 (100190)许 东 殷宝森

薄壁铝合金零件化淬火冷却的过程中极易产生严重的变形，是热处理工作者的棘手难题。采用湍流式搅拌装置调节搅拌烈度是提高精密零件加工精度的一种全新热处理方法。薄壁铝合金零件采用人工搅拌调节进行固溶处理后搅拌烈度不均，易造成零件尺寸畸变的问题一直是制约生产加工的“瓶颈”。通过对薄壁铝合金零件采用湍流式搅拌装置进行固溶处理后，有效地改善了搅拌烈度，避免了固溶后出现的较大变形倾向，最终不仅达到淬火工件硬度、组织趋于均匀的目的，又能减轻工人劳动强度，保证产品质量，提高生产效率，延长了精密零件的使用寿命。

1.技术要求

4mm圆筒形薄壁铝合金零件结构如图1所示，原材料为2A12H112，最终的使用状态为2A12T4。

从性能及尺寸测量数据看，2A12H112合金薄壁零件采用湍流式搅拌固溶处理后对零件的常规力学性能、金相组织以及变形量的影响都较小，提高了2A12合金薄壁零件的尺寸稳定性，满足性能要求。

图1 圆筒形薄壁铝合金零件

2.原热处理操作方法

采用传统的手工操作，根据零件的形状在静止的淬火冷却介质内上下或左右运动进行操作。

从常规检测性能如表1所示。固溶后，薄壁铝合金零件的屈服强度、抗拉强度及硬度均可满足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 固溶处理后薄壁铝合金零件的屈服强度、抗拉强度和硬度测量结果

金相组织如图2所示。固溶后，薄壁铝合金零件的金相组织为基底的α相与以弥散状态析出的强化相S'相。

尺寸变形量如表2所示。固溶前，工艺要求零件内孔直径为107+0.20+0mm，单边加工预留量为1mm；固溶后，薄壁零件内孔直径变形量达1.0～3.0mm。

图2 固溶后的金相组织

表2 固溶后薄壁铝合金零件的尺寸变形量测量结果

3.原因分析及改进措施

（1）原因分析 针对上述检测结果分析原因：①采用传统的手工操作，根据零件的形状在静止淬火冷却介质中运动的操作方法易出现淬火变形较大现象，是因为淬火槽内上下介质温度相差较大，给产品（尤其是薄壁零件）热处理质量带来隐患。由于介质的淬火冷却特性与介质温度有关，淬火槽内淬火冷却介质相对静止，冷却速度会随介质温度的升高而降低，淬火槽内形成垂直温差层，致使工件冷却不均匀。②工件在静止介质中淬火，表面极易形成蒸汽膜，影响淬火质量。工件刚进入淬火冷却介质的瞬间，淬火冷却介质立即被加热而汽化，在工件表面形成一层蒸汽膜，由于蒸汽膜导热性较差，极易在工件表面产生软点或软带。③工人劳动强度大，生产效率低（特别是大件）。传统淬火方法是：工件在淬火过程中必须人工在介质槽内上下或左右移动，破坏工件表面的蒸汽膜，以提高淬火冷却介质的冷却能力，同时增加淬火槽液温度的均匀性。

（2）改进措施 传统的淬火操作方法，由于手工操作在静止的介质中运动，人为无法控制槽液温度和提高淬火冷却介质的冷却能力，解决不了薄壁铝合金零件易变形和易变形位置的搅拌烈度控制问题。因此，对薄壁铝合金零件需采用湍流式搅拌使槽液温度快速趋于均匀一致，提高淬火冷却介质和工件间的相对流速，从而提高淬火冷却介质的冷却能力，适当调节搅拌烈度，减小了淬火时表面压应力、内部拉应力不一致性而产生的淬火综合应力，以期满足工件最佳淬火尺寸稳定性。

通过改进搅拌装置，发现淬火冷却介质自下而上的湍流搅拌后，薄壁铝合金零件固溶处理后硬度高而均匀，且淬火变形较小，还可以有效防止固溶开裂现象。

由于良好的搅拌不但可以调节淬火烈度，而且还显著提高了淬火冷却能力。因搅拌能够造成淬火冷却介质在淬火工件之间的强烈运动，以加快热交换过程，使高温阶段蒸汽膜形成初期即被破坏，从而提高了工件在淬火过程中的冷却速度，在低温对流期也加速了热量的传递。同时搅拌还可使整个淬火槽中介质形成一个较为均匀的温度场和较为强烈的介质运动状态，因此，有利于减少工件变形和降低淬火开裂风险；防止淬火冷却介质局部过热，也减缓了介质的老化，并提高其使用寿命。

综合生产实际，薄壁铝合金零件采用湍流搅拌进行固溶处理工艺方法，工作原理如图3所示。

图3 湍流搅拌淬火槽原理

该原理采用叶轮将淬火槽中的介质旋入介质管道内、增压，通过管道经风冷却后从导流槽（在淬火槽的中心位置）4个朝上出口喷出将介质循环回淬火槽中，从而保证循环液在足够的冲击区域内形成有效的自下而上的液流方向，由此造成介质循环翻腾搅拌的效果。

从常规力学性能看（如表3所示），薄壁铝合金零件固溶处理后的屈服强度、抗拉强度及硬度可以保证工件的技术要求，满足GB/T3191－1998标准中不小于255MPa和420MPa及GJB1694－1993硬度不小于68HRB的要求。

表3 薄壁铝合金零件固溶后的屈服强度、抗拉强度和硬度测量结果

从金相组织看（如图4所示），湍流与人工搅拌调节淬火后的金相组织基本相同，薄壁铝合金零件的金相组织仍为基底的α相与以弥散状态析出的强化相S'相。

图4 湍流搅拌淬火后的金相组织

从尺寸变形量看（如表4所示），固溶前，工艺要求零件内孔直径为107+0.20+0mm单边加工预留量为1mm；湍流搅拌固溶后，薄壁零件内孔直径变形量控制均在0.30～0.40mm。

表4 湍流搅拌固溶后薄壁深腔零件的尺寸变形量测量结果

4.结语

（1）薄壁零件采用湍流搅拌固溶处理后，使槽液温度快速趋于均匀一致，加速了介质与工件间的相对流速，从而提高了淬火介质的冷却能力。

（2）经湍流搅拌固溶处理后的尺寸变形量满足技术要求。

（3）采用湍流搅拌固溶处理方法可以使表面与心部的降温速度一同变慢，减小了温度梯度，从而减小了零件表面压应力、内部拉应力不一致性而产生的淬火综合应力。

（4）减轻了工人劳动强度，使淬火工件的硬度、组织趋于均匀，达到了减小变形的目的，为后序加工创造了有利条件。

综上所述，薄壁铝合金零件选用湍流搅拌淬火后，可以有效保证淬火后零件变形尺寸，提高尺寸加工稳定性，满足性能要求。