铝合金厚板的淬火与拉伸技术

铝合金厚板的轧制工艺为热轧状态下轧制，变形率为60%-80%内部组织为热轧变形组织；而薄板为冷变形组织，变形率在98%以上，两者有很大的差异。如图1-1所示，厚板淬火-拉伸的工艺流程可概括为：由热轧机提供满足拉伸工艺要求的拉伸板坯料，板材经过盐浴炉或空气炉固溶处理后，在冷却水中进展

热轧板材 淬火处理 拉伸矫直 时效处理 辊式矫直 图1-1 淬火处理；淬火后的板材，在室温下规定的时间内，沿纵向在拉伸机上进展1.5%-3%的拉伸永久性塑性变形，以消除淬火后板材内部的剩余应力；对于淬火变形较大的板材，应预先进展辊式矫直处理，以改善拉伸板的平直度；拉伸后的板材即可进展时效强化处理。 1、铝合金板材的淬火

1.1、铝合金厚板的淬火工艺过程及消费方式 A、盐浴炉加热方式淬火的特点 盐浴炉淬火流程如以下图 硝盐炉加热 冷水清洗 冷水淬 硝酸蚀洗

盐浴炉的特点是： 设备构造简单,制造及消费本钱低，易于温度控制；但平安性差，耗电量大，不易清理，常年处于高温状态，调温周期长。使用盐浴炉热处理具有加热速度快，温差小，温度准确等优点，充分满足了工艺对加热速度和温度精度的要求，对板材的力学性能提供了保证。缺点是：转移时间很难由人工准确的控制在理想范围内，有不确定的因素；在水中淬火时，完全靠板材与冷却水之间的热交换而自然冷却，形成了不均匀的冷却过程，使得淬火后的板材内部应力分布很不均匀；板材变形较大，在随后的精整过程中易造成外表擦、划伤等缺陷，并且不利于板材的矫平；盐浴加热时，板面与熔盐直接接触，板面形成较厚的氧化膜，在淬火后的蚀洗过程中很容易形成氧化色〔俗称花脸〕影响外表的一致性。 B、空气加热炉方式淬火的特点 空气炉淬火流程如以下图

低压冷水 高压冷水 空气加热炉 空气炉特点：设备构造复杂，制造本钱高，但平安性好，耗电量少，消费灵敏，可随时根据消费要求调整温度。与盐浴炉相比，空气炉热处理同样具有温度准确、均匀性好、温差小等优点，同时转移时间也能标准控制，由于采用了高压喷水冷却，不仅改善了不均匀的淬火冷却状态和应力分布方式，而且使板材的平直度和外表质量均大幅度进步，简化了工艺，易于实现过程自动化控制降低劳动强度和手工控制的不便。缺点是相对盐浴炉而言加热过程升温时间相对较长，消费效率有所降低。空气炉的加热方式分为辊底式空气炉和吊挂式空气加热炉。目前国际上，最为先进的淬火加热炉为辊底式空气淬火加热炉。用这种热处理炉消费铝合金淬火板，工艺过程简单、板材单片加热及单片冷却，可被均匀快速加热，冷却强度大，均与性好，使得淬火板材具有优良的综合性能。 2、淬火工艺参数

A、固溶处理的加热温度

几种典型的铝合金厚板固溶处理温度见下表

据切成品 铝合金牌号 2024 2A12 2021 2021 2A14 2618 2219 2124 6061 6082 加热温度/℃ 496-500 498-505 498-505 525-535 530-540 496-500 520-530 铝合金牌号 7075 7475 7050 7022 7020 7A04 7A09 加热温度/℃ 465-475 475-485 475-485 460-480 460-500 468-472 468-472 B、固溶处理的保温时间

盐浴炉淬火和空气炉淬火的推荐固溶处理保温时间见下表

典型铝合金厚板〔盐浴炉加热〕固溶处理保温时间 板材厚度/mm 保温时间/min 板材厚度/mm 保温时间/min 板材厚度/mm 保温时间/min 60-70 90-100 120-130 150-160 180-190 210-220 240-250 270-280 50-60 100-110 60-70 110-120 70-80 130-150 80-90 170-180 90-100 106-120 190-210 典型铝合金厚板〔空气炉加热〕固溶处理保温时间

C、淬火冷却速度

冷却速度对可热处理强化铝合金材料的力学性能和抗腐蚀性能有显著的影响，而淬火介质的温度及其流动性等有直接影响着冷却速度。通常用的最多、最有效和最经济的介质是水。水的沸点比板材的加热温度地很多，在淬火时很容易使板材周围的液体气化形成一层蒸汽膜覆盖板材外表，使板材与冷水隔开，降低了冷却速度，为此，应加强水的流动和搅拌，或采用高压喷水冷却，以改善冷却条件。通常控制水温在40℃以下。为了防止淬火过程中水温升高幅度过大，影响冷却速度，应保证足量的淬火用水，尤其是对厚度较大的板材，还应注意淬火后可能会出现再被加热而导致其性能损失的问题。另外，对于某些特殊材料，也可以通过适当地进步水温的方法，降低冷却速度，以减少板材淬火裂纹的发生。 D、淬火转移时间

板材从热处理炉转移到淬火介质中的时间与淬火效果有直接的关系，转移时间的影响与降低平均冷却速度的影响相似，对材料的腐蚀性能和断裂韧性影响较大，尤其对淬火敏感性强的合金，更应严格控制淬火转移时间，厚板一般控制在25s以内，转移时间越短，材料的综合性能越好。

3、铝合金厚板的拉伸

在淬火过程中，由于板材外表层和中心层存在温度梯度，产生了较大的内部剩余应力，在进展机械加工时，会引起加工变形。铝合金板材进展拉伸处理的目的就是：通过纵向永久性塑性变形，建立新的内部应力平衡系统，最大限度的消除板材淬火的剩余应力，z增加尺寸稳定性，改善加工性能。其方法是在淬火后的时效处理前的规定时间内，对板材纵向进展标准的拉伸处理，永久变形量约为1.5%-3%，经此过程消费的板材称之为铝合金拉伸板。 3.1、板材拉伸的工作过程

在拉伸机上，将淬火后的板材的两端放入钳口咬合区〔理论上称之为“刚端〞或称“不变形区〞);夹持结实后加载将挠度拉直，随后即进入板材的拉伸塑性变形阶段，到达设定的拉伸量后即可卸载完毕拉伸过程。根据应力-应变曲线可知，塑性变形包含着一定的弹性变形，

因此必须考虑到拉伸过程中的弹性变形〔拉伸回弹量〕对不同合金，不同规格的板材预先给定的拉伸量都有所不同，在自动化程度低的拉伸机上主要靠经历操作来设定。此外，拉伸速度是保证板材各个部位得以均匀变形的重要因素之一。板材两端各个钳口咬合夹持的均匀程度也直接影响到均匀变形和最终应力消除的效果。 3.2、厚板在热轧和淬火状态下的应力分布规律

轧制过程中轧件外表层和内层金属的变形，可以发现，当轧件进入轧辊附近时，由于与轧辊接触的外表层金属在外摩擦力作用下，流动速度比内层速度快些，而由于刚断的作用，在表层金属产生的拉应力，内层金属产生的压应力。在离出轧辊的断面附近，由于金属的平均速度大于轧辊圆周速度的程度投影，因此在接触弧这一段上，轧辊对金属流动起着阻碍作用，这样必定造成金属外表层速度落后内层流动速度。同样由于刚断作用，仍将使表层金属产生拉应力，内层金属产生压应力，理论和理论证明，经过轧制以后的板材沿厚度在轧制方向上，表层金属参与有拉应力，内层金属剩余油压应力。

淬火全过程的应力情况，板材被加热发生再结晶，轧制过程中所形成的剩余内应力得以消除。将加热后的板材快速放入冷水槽中，此时由于板材的外表层冷却比内层金属块，淬火初期表层金属剧冷，急剧收缩，基于板材的整体性，表层金属产生拉应力，内层金属产生压应力随着板材的进一步冷却，最终是内层金属剧冷，急剧收缩，使应力重新分配，最后导致外表金属剩余有压应力，内层金属剩余有拉应力，与其轧制过程剩余的内应力分布规律正好相反。

3.3、均与变形时拉伸应力分布

拉伸均匀变形的条件：钳口咬入部分为均匀咬合，夹持状态完全一致，并且比较结实，形成理想刚断。在钳口咬合的刚断附近区域和距宽度两侧边附近区域内，存着不均匀变形，其他区域为均匀变形，〔应力消除区〕在消费过程中如将此不均匀变形作为成品提交给用户，那么在随后的机械加工中将可能发生变形，影响最终使用，因此在成品锯切时，必将此区域作为几何废料切掉。

3.4、非均匀变形时拉伸的应力分析

拉伸非均匀变形的假定条件：假设钳口中的一组钳口松开，其他各组为均匀结实夹持。计算结果说明，岂不均匀变形区域可能延伸至刚断1米的范围内，应力值也明现增大，因此，钳口咬合夹持的质量对于板材拉伸后剩余应力的分布有很重要的影响，消费中必须严格控制。 4、拉伸板坯料的尺寸确实定 拉伸板坯料确实定原那么为：坯料尺寸=成品尺寸+几何废料，几何废料包括板材两端钳口咬合区、咬合区附近和两侧边的不均匀变形区域。根据消费理论、理论分析与实际测试结果，一般将板材长度两端各预留400mm，即钳口夹持区域为200-250mm，不均匀变形区约为150-200mm作为几何废料；宽度两边各预留30-50mm作为几何废料。 5、消费中拉伸板的质量控制 5.1、拉伸板的间隔时间

淬火后至拉伸开始的间隔时间是拉伸板材消费工艺的参数之一，对自然时效倾向大的铝合金板材淬火后时效强化的速度很快，其结果会大大增加拉伸作业的难度经历证明，他同时对剩余应力的消除也有一定的影响。实际消费中间隔时间一般控制在2-4h以内。对自然时效倾向不敏感的间隔时间控制可适当延长。 5.2、拉伸板平直度的质量标准

拉伸板平直度的国际标准 标准名称 美国ASTMB209-1995 厚度/mm ≤ 80-≤160 长度方向平直度〔不大于〕/mm 宽度方向平直度〔不大于〕/mm 5/2000长度以内 4/1000-1500宽度以内 3/1000-1500宽度以内 欧共体EN485-3-1994 中国Q/Q141-1996 ≤50 50-≤100 成品长度×0.2% 成品长度×0.2% 2/2000长度以内

成品宽度×0.4% 成品宽度×0.2% 4/1000宽度以内 5.3、拉伸板平直度的影响因素 拉伸板平直度的影响因素主要有：

A、 钳口夹持质量。夹持质量对拉伸质量起着决定性作用，钳口的均匀夹持，使板材纵向每

一个单元都被拉伸到等量的长度从而实现了均匀拉伸，也起到了对板材的矫直作用。 B、 拉伸机机架的刚度与预变性补偿。由于板材拉伸机的两个拉力缸等量安置在两侧，对于

横截面越大的板材，在拉伸过程中机架产生的变形将越大。因此，拉伸机架应保持较大的刚度，设计与制造中应考虑机架预变性补偿，以抑制和补偿拉伸过程中机架产生的变形。

C、 拉伸前板材尺寸的不规那么性和应力分布的不均匀性，拉伸过程中有效地控制平稳的速

度，使各个变形单元得以充分均匀的变形，是满足均匀拉伸的重要条件之一。

D、 理论证明，长度相对小一些，宽度相对大一些的板材，其横向战平效果要好得多。消费

中应选择宽、长比大一些的工艺方案。

E、 对淬火后变形较大的板材，应利用辊式矫直机进展初步矫平，而后在拉伸机上进展最终

的精矫平。

F、 由于拉伸机的主要作用是消除板材的剩余应力，以纵向小变形量的塑性变形过程为主，

因此对纵向有较好的矫直作用，对横向平直度的改善才能非常有限。 5.4、拉伸板的缺陷及产生原因

A、拉伸量超标。根据不同合金、不同规格板材的拉伸回弹量特性，设定适宜的预拉伸量。对强度高、合金化程度高的板材，拉伸后〔4天左右〕约有千分之一的自然回弹量，消费中必须加以考虑。根据我国4500拉伸机多年来的消费经历，总结出拉伸设定量的经历计算公式为：

拉伸设定量=KC〔拉伸坯料实际长度-钳口长度/1000+厚度×宽度/25×1000〕% 式中 K---材料的弹性系数，一般为0.6-1.0；

C---淬火拉伸间隔时间系数，一般为1.0-1.5。

采用上述公式得出的拉伸设定量，根本上可以满足拉伸工艺要求的1.5%-3%的永久变形量。 B、应力消除不当。通常是由于各个钳口夹持不均匀；拉伸前板料区部波浪较大，有限的拉伸量缺乏以消除改区域的剩余应力；拉伸速度不平稳，产生新的不均匀应力分布；锯切工序对拉伸板的两端头和两侧边切除的尺寸过小。因此保持良好的热轧板型、标准的拉伸过程和正确选择锯切尺寸是获得良好拉伸结果的重要条件。

C、拉伸过程断片。通常是熔体质量不好，内部夹杂、疏松严重等导致拉伸断片；热轧道次加工率分配不合理，使其厚板的外表层和心部变形不均匀，导致心部残留严重的铸态过度夹层，从而引起拉伸断片；热轧板边部缺陷〔开裂、裂纹和夹杂等〕尤其能引起拉伸断片。 D、拉伸滑移线。拉伸滑移线通常是由于拉伸量过大；拉伸前整平工序的压光量过大〔指压光矫直的加工方式〕；淬火—拉伸—淬火—拉伸的屡次重复消费等产生。

1、压光板片时，一般通过3-5道次。每道次的绝对压下量≤ 淬火后的板片应在30-40分钟内压光完毕。

压光棍的弧度为0.15-0.21mm〔最正确0.17-0.19mm〕 压光机的主要技术性能：最大轧制力1000t 轧辊尺寸：￠900/￠860×2800mm

2、多辊矫直

采用多辊矫直机矫直板片的过程，是板片通过反复弯曲的作用，使板片产生一种弯曲塑性变形，减少板片剩余变形和剩余应力，消除板片的波浪和不平度。

矫直板片的厚度越薄采用的辊数越多。多辊矫直机矫直板片的规格如下： ×1000-2600×2000-10500mm ×1000-2600×2000-10500mm ×1000-2600×2000-10500mm ×1000-1560×2000-10500mm 3、拉伸矫直〔张力矫直〕

当板片剩余应力特别严重，在辊式矫直机上不能使板片的波浪完全消除时，可采用拉伸矫直。

我厂铝合金板片拉伸矫直是在400吨拉伸机上进展。其矫直板片规格为0.5-4.0×1000-2500×4000-10000mm或5.0-7.0×1000-1500×4000-10000mm〔中厚板〕，每张板片的钳口夹持量为300mm。

淬火后的板片必须在30-60分钟内拉伸完。板片的拉伸量一般不大于2.5%。 4、精整机列 主要分硬片和软片机列两种： 〔1〕、硬片机列：用以精整经过淬火和时效的板片。此机列主要设备有：17辊初平机、17辊、23辊和29辊辊式矫直机、二重压光机、400吨张力矫直机、双列剪、检查台，涂印机等。 〔2〕、软片机列：用以精整经过退火或冷作硬化的板片。此机列主要设备有：双列剪、17辊和23辊矫直机、检查台、涂印机等。 5、检查

对板材的外表质量及外观尺寸，在消费现场用肉眼和测量工具进展检查；对板材的化学成分、机械性能、晶粒度、高倍组织、深冲值等在实验室进展检验测试。