CN101514386A

CN101514386A - 铝合金板的淬火装置及方法

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Publication number: CN101514386A
Application number: CNA2009100430013A
Authority: CN
Inventors: 张新明; 邓运来; 张勇; 熊创贤; 万里; 曹盛强; 刘胜胆; 张劲
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: CN101514386B

Abstract

铝合金板的淬火装置，包括辊道、保温装置、上支架、下支架、喷嘴排，所述辊道由多个平行安装的由电机和传动装置驱动的辊子组成；所述保温装置设置在辊道的一端；所述上、下支架分别安装在辊道上、下方；所述喷嘴排安装在设于上、下支架上的轨道上；所述喷嘴排通过装有开关阀、流量计和压力计的管路与加压装置相连。实施上述装置进行铝合金板淬火的方法，首先将铝合金板送入辊道一端的保温装置内，然后，调整喷嘴排位置及喷嘴排上喷嘴中冷却介质流量密度、压力，使铝合金板在辊道上依次通过喷嘴排；本发明结构简单合理，操作使用方便，可根据铝合金板的尺寸实现对喷射介质的压力、流量和喷射角度的实时动态调整，有效提高铝合金板淬透深度，降低淬火残余应力；适于工业化应用。

Description

铝合金板的淬火装置及方法

技术领域

本发明涉及可热处理强化铝合金板的淬火处理，特别是指一种铝合金板的淬火装置及方法，属于有色金属材料热加工技术领域。

背景技术

铝合金板淬火冷却时厚度方向从表面到中心的冷却速度差异一方面使厚度方向的性能均匀性与稳定性变差，另一方面又会在板材中产生较大的淬火残余应力。因此，铝合金板淬火既要提高淬透深度，又要减小淬火后的残余应力，这两方面的要求往往是矛盾的，如将铝合金材料或构件放入表面换热效率高的冷却介质池中淬火或采用向铝合金材料表面喷射冷却介质的方法淬火等，虽然有助于提高铝合金板的淬透深度，但会造成板中形成很大的残余应力。现有铝合金板的淬火技术对于控制铝合金板表面换热特性达到既提高铝合金板中心的冷却速度，又能使板表面与厚度中心的冷却速度差最小，既提高铝合金板淬透性、又降低其残余应力的技术方案关注不够，本发明在研究了铝合金材料表面换热规律的基础上，建立了既提高铝合金板淬透深度，又降低淬火残余应力的淬火装置与方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单合理、操作使用方便、能有效提高铝合金板淬透深度，降低淬火残余应力的铝合金板的淬火装置及方法。

本发明--铝合金板淬火装置包括辊子、保温装置、上支架、下支架、喷嘴排，所述辊子至少有4个，平行安装组成辊道，所述辊子由电机和传动装置驱动且相邻两个辊子之间的间隙至少为300mm；所述保温装置设置在辊道的一端；所述上支架、下支架分别安装在辊道上、下方且沿辊道平面法线方向高度可调；所述喷嘴排至少有4对，分别安装在上、下支架上，所述喷嘴排既可以绕自身轴线转动也可以沿所述上、下支架轴向移动，所述喷嘴排至少设有一个喷嘴；所述喷嘴排通过装有开关阀、流量计和压力计的管路与冷却介质的加压装置相连，喷射的液态冷却介质可以收集在介质存储池中，供给液态加压装置循环使用。

本发明--铝合金板的淬火装置中，所述喷嘴排的喷嘴射出的冷却介质的方向与辊道平面夹角为45°～90°。

本发明--铝合金板的淬火装置中，所述喷嘴出口与处于辊子上的待淬火铝合金板表面的垂直距离为50～150mm。

本发明--铝合金板的淬火装置中，所述加压装置为水泵和/或空气压缩机。

本发明--采用上述装置进行铝合金板淬火的方法，包括如下步骤：

A、将经过固溶处理的铝合金板送入辊道一端的保温装置内，调整喷嘴排位置，使喷嘴射出的冷却介质的方向与辊道平面夹角为45°～90°，使喷嘴出口与处于辊子上的待淬火铝合金板表面的垂直距离为50～150mm；

B、分别调整每对喷嘴排上喷嘴中冷却介质流量密度、压力，

①第一类喷嘴排所喷射冷却介质的流量密度为0.01～10L/(m²·s)，压力为0.5～0.8MPa，

②第二类喷嘴排所喷射冷却介质的流量密度为20～60L/(m²·s)，压力为0.05～0.3MPa，

③第三类喷嘴排所喷射冷却介质的流量密度为0.1～15L/(m²·s)，压力为0.3～0.6MPa，

④第四类喷嘴排所喷射冷却介质的流量密度为25～150L/(m²·s)，压力为0.01～0.3MPa；

C、通过电机和传动装置驱动辊子使铝合金板在辊道上以10～800mm/s的速度依次通过上述四类流量、压力与喷射角度具有不同特征的喷嘴排，所获铝合金板明显提高了淬透深度，降低了残余应力。

本发明--铝合金板的淬火方法中，所述喷嘴所喷射冷却介质的压力、流量和喷射角度可以手动控制，也可以电动控制。

本发明--铝合金板的淬火方法中，根据铝合金板在辊道上的移动速度，可在所述四类喷嘴排各自的后续邻近位置添加相同类型的喷嘴排。

本发明--铝合金板的淬火方法中，所述冷却介质为水和/或压缩空气。

本发明--铝合金板的淬火方法中，所述喷嘴排射出的冷却介质在所述辊子轴线方向上覆盖的尺寸至少比铝合金板的宽度大20mm。

本发明的优点及工作原理简述于下：

本发明所述铝合金板淬火装置可在铝合金板淬火的不同时间段上对喷射的冷却介质的压力、流量和喷射角度方便地进行动态调整；专利申请人的大量研究表明，采用喷射冷却介质对铝合金材料进行冷却，当铝合金材料表面层温度为90～150℃时，铝合金材料表面层的换热效率高于其它温度区间的；当铝合金材料表面层温度高于约150℃时，在铝合金材料表面形成的气膜会降低冷却介质与铝合金材料间的换热效率，而当铝合金材料表面层温度低于约90℃时，铝合金材料与冷却介质间的温差变小，也会降低冷却介质与铝合金材料间的换热效率；本发明根据铝合金材料表面换热效率与表面层温度之间的关系，采用分四个阶段喷射压力、流量密度不同的冷却介质的工艺方法，将铝合金板淬火时的表面层温度控制在90～150℃内，使冷却介质与铝合金材料间的换热效率处于较高的状态；提高铝合金板厚向的淬透深度，同时可在铝合金板厚度方向上获得较均匀的冷却速度，减小铝合金板的淬火残余应力。综上所述，本发明结构简单合理，操作使用方便，采用水或空气作为淬火介质，简便易行，且不会污染环境；同时，水能循环利用，有利于节约水资源；根据铝合金板的尺寸实现对喷射介质的压力、流量和喷射角度的实时动态调整，有效提高铝合金板淬透深度，降低淬火残余应力；适于工业化应用，为铝合金板材性能的提升提供了一种切实可行的热处理装置及方法。

附图说明

附图1是实施本发明铝合金板淬火方法的装置主剖视图。

附图2为图1的俯视图；

附图3是测量铝合金板淬透深度的示意图；

具体实施方式，

参见附图1、2：

从图1、2可以看出，本发明的铝合金板淬火装置包括辊子1、保温装置5、上支架、下支架6、喷嘴排8，所述辊子1至少有4个，平行安装组成辊道，所述辊子1由电机3和传动装置4驱动且相邻两个辊子1之间的间隙至少为300mm；所述保温装置5设置在辊道的一端；所述上支架、下支架6分别安装在辊道上、下方且沿辊道平面法线方向高度可调；所述喷嘴排8至少有4对，分别安装在上、下支架6上，所述喷嘴排8既可以绕自身轴线转动也可以沿所述上、下支架6轴向移动，所述喷嘴排8至少设有一个喷嘴；所述喷嘴排8通过装有开关阀13、流量计14和压力计15的管路与冷却介质的加压装置相连，喷射的液态冷却介质可以收集在介质存储池17中，供给液态加压装置循环使用。

本发明---铝合金板的淬火装置中，所述喷嘴排8的喷嘴射出的冷却介质的方向与辊道平面夹角为45°～90°。

本发明---铝合金板的淬火装置中，所述喷嘴出口与处于辊子1上的待淬火铝合金板表面的垂直距离为50～150mm。

本发明---铝合金板的淬火装置中，所述加压装置为水泵或者是空气压缩机中的一种，通过与水泵相连的开关阀或与空气压缩机相连的开关阀可以选择冷却介质。

用上述装置对铝合金板进行淬火处理的具体实施步聚为：

1、将经过固溶处理的铝合金板送入辊道一端的保温装置5内，调整喷嘴排8的位置，使喷嘴射出的冷却介质的方向与辊道2平面夹角为45°～90°，使喷嘴出口与处于辊子1上的待淬火铝合金板21表面的垂直距离为50～100mm；

2、分别调整每对喷嘴排上喷嘴中冷却介质流量密度、压力，

3、通过电机3和传动装置4驱动辊子1使铝合金板在辊道上以10～800mm/s的速度依次通过上述四类流量、压力与喷射角度具有不同特征的喷嘴排8，所获铝合金板明显提高了淬透深度，降低了残余应力。

上述冷却介质喷射的压力、流量与喷射角度可以手动控制，也可以电动控制；当铝合金板在辊道上的移动速度较快时，可在上述4类喷嘴排8各自的后续邻近位置添加相同类型的喷嘴排。

淬透深度具体测量方法是：将淬火后的铝合金板进行时效，截取试样测试硬度，在垂直于铝合金板横向的截面上沿厚度方向从表面向板中心延伸，每隔2mm测量一个硬度值。记录测试点硬度和测试点与表面的距离，如图2所示，建立硬度(H)与距离(D)坐标，将记录数据反映到所述坐标中，绘出硬度与距离关系曲线22(H-D曲线)，以H-D关系图所示最高硬度下降5％的硬度值作为标准，将标准值用水平线23绘在图上，得到与H-D曲线相交的一个交点24，该交点对应的距离d定义为淬透深度。硬度测量设备为HV-5维氏硬度计，测量参数为：3公斤载荷，保压15秒。

残余应力具体测试方法是：采用HK21B型残余应力测试仪，按GB3395-1992所述的钻孔应变释放法分别测试淬火后铝合金板上、下表面的四个角部及中心位置共10点的残余应力，然后取所述被测试的上、下表面共10个位置点的等效残余应力平均值作为该铝合金板的淬火残余应力值。

实施本发明---铝合金板的淬火方法，简述于下：

实施例1-4是本发明的具体实施例，实施例5是对比实施例。

实施例1-5所采用的合金编号及其名义成分(重量百分比)如表1。

表1；

实施例1-5所采用的合金编号及其固溶加热与时效制度如表2。

表2；

实施例1：A合金，铝合金板的尺寸为80mm×500mm×1500mm，设置4对喷嘴排，分别具有本发明所述四类喷嘴排的特性，淬火时喷射水的方向与辊道平面夹角调整为90°，喷嘴离铝合金板表面的垂直距离调整为150mm，铝合金板送上辊道后以100mm/s的速度依次通过第1对和第2对喷嘴排，以10mm/s的速度通过第3对和第4对喷嘴排，第1对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为10L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.5MPa，第2对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为20L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.3MPa，第3对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为15L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.3MPa，第4对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为25L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.3MPa。整块铝合金板淬火完成后，进行时效处理，截取试样测试的淬透深度为34mm，测试的表面残余应力为55.8MPa。

实施例2：B合金，铝合金板的尺寸为120mm×500mm×4000mm，本实施例设计了6对喷嘴排，其中第1对喷嘴排具有本发明所述的第一类喷嘴排特性，第2对和第3对喷嘴排具有本发明所述的第二类喷嘴排特性，第4对喷嘴排具有本发明所述的第三类喷嘴排特性，第5对和第6对喷嘴排具有本发明所述的第四类喷嘴排特性；淬火时喷射水的方向与辊道平面夹角调整为45°，喷嘴离铝合金板表面的垂直距离调整为50mm，铝合金板送上辊道后以200mm/s的速度依次通过6对喷嘴排，铝合金板依次通过的第1对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为0.1L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.6MPa，第2对和第3对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为60L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.05MPa，第4对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为0.1L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.6MPa，第5对和第6对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为85L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.05MPa。整块铝合金板淬火完成后，进行时效处理，截取试样测试的淬透深度为58mm，测试的表层残余应力为45.3MPa。

实施例3：C合金，铝合金板的尺寸为150mm×500mm×4000mm，设置4对喷嘴排，分别具有本发明所述四类喷嘴排的特性，淬火时辊道上方喷射水的方向与辊道平面夹角调整为65°，辊道下方喷射水的方向与辊道平面夹角调整为65°，喷嘴离铝合金板表面的垂直距离调整为75mm，铝合金板送上辊道后以300mm/s的速度依次通过第1对和第2对喷嘴排，以200mm/s的速度通过第3对喷嘴排，以100mm/s的速度通过第4对喷嘴排，依次通过的第1对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为5L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.7MPa，第2对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为40L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.15MPa，第3对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为7.5L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.4MPa，第4对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为150L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.01MPa。整块铝合金板淬火完成后，进行时效处理，截取试样测试的淬透深度为74mm，测试的表层残余应力为50.2MPa。

实施例4：B合金，铝合金板的尺寸为100mm×500mm×5000mm，设置4对喷嘴排，分别具有本发明所述四类喷嘴排的特性，淬火时辊道上方喷射水的方向与辊道平面夹角调整为90°，辊道下方喷射水的方向与辊道平面夹角调整为45°，喷嘴离铝合金板表面的垂直距离调整为100mm，铝合金板送上辊道后以800mm/s的速度通过第1对喷嘴排，以400mm/s的速度依次通过第2对和第3对喷嘴排，以150mm/s的速度通过第4对喷嘴排，依次通过的第1对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为0.01L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.8MPa，第2对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为40L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.1MPa，第3对喷嘴排喷射的压缩空气在铝合金板上的流量密度为0.5L/(m²·s)，压缩空气离开喷嘴的压力为0.4MPa，第4对喷嘴排喷射水在铝合金板上的流量密度为100L/(m²·s)，水离开喷嘴的压力为0.1MPa。整块铝合金板淬火完成后，进行时效处理，截取试样测试的淬透深度为50mm，测试的表层残余应力为40.6MPa。

实施例5：A合金，试验用铝合金板的尺寸为80mm×500mm×1500mm，将固溶后的铝合金板放入水池中淬火，整块铝合金板淬火完成后，进行时效处理，截取试样测试的淬透深度为22mm，测试的表层残余应力为185.5MPa。

将实施例1-4与实施例5所得最终产物的淬透深度、表层残余应力比较，可知采用本发明的装置和方法淬火能有效提高铝合金板的淬透深度，同时降低其淬火残余应力。

Claims

1、铝合金板淬火装置包括辊子、保温装置、上支架、下支架、喷嘴排，所述辊子至少有4个，平行安装组成辊道，所述辊子由电机和传动装置驱动且相邻两个辊子之间的间隙至少为300mm；所述保温装置设置在辊道的一端；所述上支架、下支架分别安装在辊道上、下方且沿辊道平面法线方向高度可调；所述喷嘴排至少有4对，分别安装在上、下支架上，所述喷嘴排既可以绕自身轴线转动也可以沿所述上、下支架轴向移动，所述喷嘴排至少设有一个喷嘴；所述喷嘴排通过装有开关阀、流量计和压力计的管路与冷却介质的加压装置相连。

2、根据权利要求1所述的铝合金板的淬火装置，其特征在于：所述喷嘴排的喷嘴射出的冷却介质的方向与辊道平面夹角为45°～90°。

3、根据权利要求1所述的铝合金板的淬火装置，其特征在于：所述喷嘴出口与处于辊子上的待淬火铝合金板表面的垂直距离为50～150mm。

4、根据权利要求1所述的铝合金板的淬火装置，其特征在于：所述加压装置为水泵和/或空气压缩机。

5、实施如权利要求1所述装置进行铝合金板淬火的方法，包括如下步骤：

B、分别调整每对喷嘴排上喷嘴中冷却介质流量密度、压力，

6、根据权利要求5所述的铝合金板的淬火方法，其特征在于：所述喷嘴所喷射冷却介质的压力、流量和喷射角度可以手动控制，也可以电动控制。

7、根据权利要求5所述的铝合金板的淬火方法，其特征在于：根据铝合金板在辊道上的移动速度，可在所述四类喷嘴排各自的后续邻近位置添加相同类型的喷嘴排。

8、根据权利要求5所述的铝合金板的淬火方法，其特征在于：所述冷却介质为水和/或压缩空气。

9、根据权利要求5所述的铝合金板的淬火方法，其特征在于：所述喷嘴排射出的冷却介质在所述辊子轴线方向上覆盖的尺寸至少比铝合金板的宽度大20mm。