CN105401107A - 一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备及方法，所述设备包括加热系统、冷却系统、保温层、温度控制装置；所述加热系统与冷却系统之间通过保温层连接，所述保温层上设有供容置待处理工件的容槽，工件一端处于加热系统中，另一端处于冷却系统中；其方法是将铝合金工件，插入保温层上设置的容槽，然后，分别控制加热介质及冷却介质的温度，使铝合金工件两端的温度至少相差20℃，进行保温，获得轴向梯度力学性能的铝合金。本发明工艺简单、生产成本低，针对现有技术的不足，能使淬火敏感性不高的铝合金工件和薄壁管材结构的工件获得明显的轴向梯度力学性能，满足实际生产过程中的成本及材料的应用。
Description
技术领域
本发明公开了一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备及方法，属于铝合金加工技术领域。
背景技术
在实际生产中，尤其是在高科技领域，某些特殊情况下，对铝合金工件某一端会进行局部塑性加工，要求该端具有良好的塑性，从而有利于加工的顺利进行；而另一端，则需要其具有高强度来防止材料的变形和断裂。因此，实际生产中，既需要具有高强度高塑性的均匀铝合金工件，特殊情况下，更需要具有轴向梯度力学性能的铝合金工件。
铝合金传统加工和热处理工艺能使铝合金工件获得均匀的高强度高塑性的力学性能。
关于制备具有轴向力学性能梯度的铝合金，现有技术的报道通常是采用末端淬火实现，末端淬火是基于淬火过程中铝合金工件轴向不同位置冷却速率不同而获得力学性能梯度的方法。它被广泛应用于研究合金的淬火敏感性。但是，对于淬火敏感性不高和薄壁管材结构的铝合金工件，由于铝合金本身良好的导热性和薄壁结构管材同空气之间大的传热接触面积，进行末端淬火，工件轴向温差非常小，其轴向不同位置获得的力学性能差异不大，不能满足特殊情况下实际生产的需求。
对于析出强化型铝合金，时效温度和时间显著影响其析出行为。在峰时效阶段，合金的强度最高，塑性最低；在欠时效和过时效阶段，合金的强度较低但塑性较高。因此，使析出强化型铝合金一端置于峰时效状态，一端置于欠时效或者过时效状态，就能获得一端具有高强度，一端具有良好塑性的具有轴向梯度力学性能的材料。但由于铝合金具有非常好的导热性，其导热系数为134W/m·℃；仅仅通过空气传热以及合金基体自身传热，合金在轴向的温差非常小，尤其是薄壁管材结构的工件，轴向温差更小，导致析出强化型铝合金通过时效处理后，轴向力学性能差异并不明显。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，本发明的设备能使铝合金工件获得梯度力学性能，实现铝合金力学性能在工件的径向上较为均匀分布，轴向上呈梯度分布的性能要求。
本发明的另一个目的在于提供一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述设备包括加热系统、冷却系统、保温层、温度控制装置；所述加热系统与冷却系统之间通过保温层连接，所述保温层上设有供容置待处理工件的容槽，工件插装在所述容槽中，一端处于加热系统中，另一端处于冷却系统中，在工件的外表面设有一密封圈，所述密封圈处于加热系统或冷却系统中，且密封圈与保温层上设置的容槽的一端接触，实现工件、容槽与加热系统或冷却系统的密封；在加热系统中、冷却系统中、工件上均设有与温度控制装置电连接的测温元件。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述加热系统包括加热箱，所述加热箱内盛放有加热介质，加热介质中设置有与温度控制装置电连接的测温元件，在加热箱的底部设置有与温度控制装置电连接的电加热管。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述冷却系统包括冷却箱、控温循环泵，所述冷却箱内设置有冷却介质，冷却介质中设置有与温度控制装置电连接的测温元件，所述控温循环泵通过其上设置有流量计的管道与冷却箱连通，所述控温循环泵与温度控制装置电连接，通过温度控制装置控制其电源通断。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述保温层为石棉、酚醛泡沫材料、橡胶、硅酸钙中的一种。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述加热介质选自水、二甲基硅油、氯化钠、硝酸钾中的一种，其中，氯化钠、硝酸钾加热至使用状态时，变为熔融态；所述冷却介质选自水、二甲基硅油中的一种。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述温度控制装置为多路测温仪；所述测温元件为热电偶。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述密封圈材质为硅胶、天然橡胶、NBR丁腈橡胶中的一种。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，包括以下步骤：
将铝合金工件，插入获得铝合金轴向梯度力学性能的设备中的保温层上设置的容槽，在工件表面套装一密封圈，使密封圈处于加热系统或冷却系统中，将工件、容槽与加热系统或冷却系统密封；然后，分别控制加热介质及冷却介质的温度，使铝合金工件两端的温度至少相差20℃，进行保温，获得轴向梯度力学性能的铝合金。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，对于析出强化型铝合金，将铝合金工件固溶处理，水淬后插入获得铝合金轴向梯度力学性能的设备中的保温层上设置的容槽，控制铝合金工件两端的温度差为20-100℃，进行人工时效，获得轴向梯度力学性能的铝合金。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，所述析出强化型铝合金，具体选自Al-Cu、Al-Zn-Mg、Al-Mg-Si系合金中的一种。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，对于不可热处理强化型铝合金，将经过塑性变形加工得到的铝合金工件直接插入获得铝合金轴向梯度力学性能的设备中的保温层上设置的容槽，控制铝合金工件高温段温度达到铝合金的再结晶温度，且铝合金工件两端的温度差为100-450℃，进行再结晶退火处理，塑性变形加工工艺选自挤压、锻造、拉伸、轧制、冲压工艺中的至少一种。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，不可热处理强化型铝合金选自铝镁合金、铝硅合金、铝锰合金中的一种。
本发明一种获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，所述铝合金工件形状为管状或棒状。
本发明的有益效果是：
本发明首次从时效角度提出使管棒类析出强化型铝合金工件获得梯度力学性能的方法和设备。本方法和设备能用较低的成本实现铝合金工件力学性能径向上较为均匀分布，轴向上梯度分布，满足了特殊情况下实际生产的需要。与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明工艺简单，生产成本低，能有效满足实际生产中对材料性能的要求。
2、本发明能克服现有技术末端淬火的不足，能使淬火敏感性低的合金获得较好的力学性能梯度，扩大淬火敏感性低的合金的应用范围。
3、本发明能克服现有技术末端淬火应用于薄壁管材结构的工件不能获得明显力学性能梯度的不足，使得薄壁管材结构的工件获得较好的力学性能梯度，扩大薄壁或者空心管材结构的工件的应用范围。
4、本发明设计的装置与方法不仅可以应用于时效，也可应用于退火，能克服现有技术末端淬火不能应用于不可热处理强化的合金的不足，使不可热处理强化的合金同样获得力学性能梯度。
综上所述，本发明工艺简单、生产成本低，针对现有技术的不足，能使淬火敏感性不高的铝合金工件和薄壁管材结构的工件获得明显的轴向梯度力学性能，满足实际生产过程中的成本及材料的应用。既适用于具有析出强化行为的铝合金(淬火敏感性高的7XXX铝合金和淬火敏感性不高的2XXX铝合金和6XXX铝合金)的时效处理，又适用于不可热处理强化铝合金的退火处理。
附图说明
附图1是本发明获得轴向梯度力学性能的时效设备的结构示意图；
附图2是本发明实施例1中工件7075铝合金棒材不同位置对应的温度和硬度曲线；
附图3是本发明实施例2中工件7075铝合金空心管材不同位置对应的温度和硬度曲线；
附图4是本发明实施例3中工件7475铝合金空心管材不同位置对应的温度和硬度曲线。
图1中，1.冷却介质，2.密封圈，3.保温层，4.热电偶，5.容槽，6.多路测温仪，7.加热管，8.加热介质，9.恒温循环泵，10.流量计，11.铝合金工件，12.加热箱，13.冷却箱，。
从图2中可看出，在实施案例1的条件下，金属工件一端温度为115℃/24h，另一端温度为65℃/24h，金属工件轴向两端的温差达到50℃，其轴向方向上的硬度随着与冷却端距离的增大而增加，两端硬度差值达到了34HV，获得了明显的力学性能梯度。
从图3中可看出，在实施案例2的条件下，金属工件一端温度为123℃/24h，另一端温度为175℃/24h，金属工件轴向两端的温差达到52℃，其轴向方向上的硬度随着与冷却端距离的增大而降低，在冷端硬度值214HV，在高温端硬度值为134HV，两端硬度差值达到了80HV，获得了明显的力学性能梯度。
由图4可以得知，5A02铝合金挤压棒材在本发明提供的方法和设备下一端温度为460℃左右，达到再结晶温度，另一端温度为300℃左右，温度差值为160℃，其抗拉强度由198MPa降低到175MPa，降低了23MPa，获得了明显的梯度力学性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
参见附图1，一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述设备包括加热系统、冷却系统、保温层3、温度控制装置6；所述加热系统与冷却系统之间通过保温层3连接，所述保温层3上设有供容置待处理工件的容槽5，工件11插装在所述容槽中，一端处于加热系统中，另一端处于冷却系统中，在工件11的外表面设有一密封圈2，所述密封圈2处于冷却系统中，且密封,2与保温层3上设置的容槽5的一端接触，实现工件11、容槽5与冷却系统的密封；
所述加热系统包括加热箱12，所述加热箱12内盛放有加热介质8，加热介质8中设置有与温度控制装置电连接的热电偶4，在加热箱12的底部设置有与温度控制装置6电连接的电加热管7；
所述冷却系统包括冷却箱13、控温循环泵9，所述冷却箱13内设置有冷却介质1，冷却介质1中设置有与温度控制装置6电连接的热电偶4，所述控温循环泵9通过其上设置有流量计10的管道与冷却箱13连通，所述控温循环泵9与温度控制装置6电连接，通过温度控制装置6控制控温循环泵9电源通断；
本实施例中，所述保温层3为石棉；所述加热介质8为二甲基硅油；所述冷却介质1为水；所述温度控制装置6为多路测温仪；所述密封圈2材质为NBR丁腈橡胶。
在使用时，将铝合金工件11插装在保温容槽5中，并使铝合金工件11的一端置于加热介质8中，另一端置于冷却介质1内，在加热系统中，通过加热管7对加热介质8进行加热，通过加热介质8与铝合金工件11的热传递，将铝合金工件11的一端加热；在冷却系统中，通过控温循环泵9控制冷却介质1的温度，通过流量计10来检测和控制冷却介质1的水速；通过热电偶4检测铝合金工件11的表面温度，控温仪6控制加热介质8、控温循环泵9循环的冷却介质1的温度。若热电偶4测得的铝合金工件11的表面温度高于或低于预设值，通过控温仪6调控加热介质8的温度或者控温循环泵9循环的冷却介质1的温度。
采用实施例1的设备，获得轴向梯度力学性能方法，通过实施例2-4详细说明：
实施例2
将长165mm，直径为45mm的7075铝合金棒材在473℃的盐浴炉中固溶2h，水淬，然后置于本发明提供的设备中，工艺参数为：加热介质为二甲基硅油，温度为230℃，冷却介质为水，温度13℃，在铝合金工件表面按40mm间距，均匀密封粘贴热电偶，工件在加热介质中的长度为22mm，测得工件表面平均温度为115℃左右，在冷却介质中的长度为12mm，测得工件表面平均温度为65℃左右；保温24小时；得到轴向梯度力学性能的铝合金，其力学性能曲线见附图2；
从图2可以得知，7075铝合金棒材通过本发明提供的方法和设备处理，高温端平均温度115℃/24h后，硬度为203HV，低温端平均温度65℃/24h，硬度为169HV，两端硬度差达到34HV，获得了明显的轴向梯度力学性能。
实施例3
将长165mm，直径为45mm的7075铝合金空心管材在473℃的盐浴炉中固溶2h，水淬，然后置于本发明提供的设备中，工艺参数为：加热介质为二甲基硅油，温度为150℃，冷却介质为二甲基硅油，温度13℃，在铝合金工件表面按40mm间距，均匀密封粘贴热电偶，工件在加热介质中的长度为50mm，测得工件表面平均温度为169℃左右，在冷却介质中的长度为7mm，测得工件表面平均温度为123℃左右；保温24小时；得到轴向梯度力学性能的铝合金，其力学性能曲线见附图3；
从图3可以得知，7075铝合金棒材通过本发明提供的方法和设备处理，高温端平均温度169℃/24h后，硬度为134HV，低温端平均温度123℃/24h，硬度为214HV，两端硬度差达到80HV，获得了明显的轴向梯度力学性能。
实施例4
将长165mm，直径为45mm的5A02铝合金挤压棒材置于本发明提供的设备中，工艺参数为：加热介质为硝酸钾盐，温度为500℃，冷却介质为水，温度50℃，在铝合金工件表面按40mm间距，均匀密封粘贴热电偶，工件在加热介质中的长度为40mm，测得工件表面平均温度为460℃左右，在冷却介质中的长度为15mm，测得工件表面平均温度为300℃左右；保温30分钟；得到轴向梯度力学性能的铝合金，其力学性能曲线见附图4；
由图4可以得知，5A02铝合金挤压棒材通过本发明提供的方法和设备处理，高温端平均温度460℃/30min后，抗拉强度为175MPa，低温端平均温度300℃/30min，抗拉强度198MPa，两端抗拉强度差达到23MPa，获得了明显的轴向梯度力学性能。
上面结合附图及实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。
Claims (10)
1.一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，所述设备包括加热系统、冷却系统、保温层、温度控制装置；其特征在于：所述加热系统与冷却系统之间通过保温层连接，所述保温层上设有供容置待处理工件的容槽，工件插装在所述容槽中，一端处于加热系统中，另一端处于冷却系统中，在工件的外表面设有一密封圈，所述密封圈处于加热系统或冷却系统中，且密封圈与保温层上设置的容槽的一端接触，实现工件、容槽与加热系统或冷却系统的密封；在加热系统中、冷却系统中、工件上均设有与温度控制装置电连接的测温元件。
2.根据权利要求1所述的一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，其特征在于：所述加热系统包括加热箱，所述加热箱内盛放有加热介质，加热介质中设置有与温度控制装置电连接的测温元件，在加热箱的底部设置有与温度控制装置电连接的电加热管；
所述冷却系统包括冷却箱、控温循环泵，所述冷却箱内设置有冷却介质，冷却介质中设置有与温度控制装置电连接的测温元件，所述控温循环泵通过其上设置有流量计的管道与冷却箱连通，所述控温循环泵与温度控制装置电连接，通过温度控制装置控制其电源通断；
所述保温层为石棉、酚醛泡沫材料、橡胶、硅酸钙中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，其特征在于：所述加热介质选自水、二甲基硅油、氯化钠、硝酸钾中的一种；所述冷却介质选自水、二甲基硅油中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，其特征在于：所述温度控制装置为多路测温仪；所述测温元件为热电偶。
5.根据权利要求2所述的一种获得铝合金轴向梯度力学性能的设备，其特征在于：所述密封圈材质为硅胶、天然橡胶、NBR丁腈橡胶中的一种。
6.根据权利要求1-5任意一项所述设备获得铝合金轴向梯度力学性能的方法，包括以下步骤：
将铝合金工件，插入获得铝合金轴向梯度力学性能的设备中的保温层上设置的容槽，在工件表面套装一密封圈，使密封圈处于加热系统或冷却系统中，将工件、容槽与加热系统或冷却系统密封；然后，分别控制加热介质及冷却介质的温度，使铝合金工件两端的温度至少相差20℃，进行保温，获得轴向梯度力学性能的铝合金。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：对于析出强化型铝合金，将铝合金工件固溶处理，水淬后插入获得铝合金轴向梯度力学性能的设备中的保温层上设置的容槽，控制铝合金工件两端的温度差为20-100℃，进行人工时效，获得轴向梯度力学性能的铝合金。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述析出强化型铝合金，具体选自Al-Cu、Al-Zn-Mg、Al-Mg-Si系合金中的一种。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：对于不可热处理强化型铝合金，将经过塑性变形加工得到的铝合金工件直接插入获得铝合金轴向梯度力学性能的设备中的保温层上设置的容槽，控制铝合金工件高温段温度达到铝合金的再结晶温度，且铝合金工件两端的温度差为100-450℃，进行再结晶退火处理，塑性变形加工工艺选自挤压、锻造、拉伸、轧制、冲压工艺中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述铝合金工件形状为管状或棒状。
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