TWI741942B - 鋁板之淬火方法 - Google Patents

Abstract

一種鋁板之淬火方法。在此方法中，利用料架承載至少一鋁板。對此至少一鋁板進行固溶處理。於固溶處理後，對此至少一鋁板進行淬火處理。進行淬火處理包含將此至少一鋁板沒入冷卻介質中，以將此至少一鋁板冷卻至室溫。將此至少一鋁板沒入冷卻介質中包含將下降時間控制在等於或小於約2秒。

Description

鋁板之淬火方法

本揭露是有關於一種鋁板之製作技術，且特別是有關於一種鋁板之淬火方法。

固溶型鋁板須經過快速淬火冷卻，來達到合金組織析出之目的，藉此提高鋁板之材料強度。然而，鋁板在急冷過程中容易引入大量殘留應力與塑性變形。淬火後之鋁板縱使經過拉直整平處理，其平坦度依舊難以滿足市場需求。

為了改善鋁板的淬火變形，目前已有多種淬火技術提出。一種針對汽車零組件之鋁材的淬火方法係在高溫水中對鋁材進行淬火。此方法將淬火之水溫提升為75℃至95℃，而可降低鋁材的塑性變形。由於汽車零組件之鋁材於淬火後需再經過折彎與變形，故於淬火時鋁材之材料強度不需最佳化。

另有一種鋁板之淬火技術亦是透過調整鋁板淬火時之水溫，以將鋁板從固溶溫度直接冷卻至時效硬化溫度。此技術將淬火與時效之二階段製程簡化為單道次，即於鋁板淬火後直接進行時效硬化處理。鋁板經淬火後，需進行拉直整平處理，以消除應力。然而，拉直機的負載有限，無法克服此方法所處理後之鋁板的材料強度，因而無法達到消除鋁板應力之目的。

一種鋁板之臥式淬火技術係利用二階段冷卻，以避開冷卻速度較快的核沸騰區。此技術在應用上，產線分為水冷區與氣冷區。鋁板先於水冷區以冷水冷卻至萊頓弗羅斯特點(Leidenfrost point)溫度以上，再於氣冷區以空氣冷卻至室溫。然而，若於水冷區控制不當而使得鋁板直接冷卻到萊頓弗羅斯特點溫度以下，會因溫度無法支撐氣膜而使得鋁板的冷速太快，導致瞬間的溫差增加，而造成鋁板無法控制的變形。此外，這樣的淬火設備占地龐大，且費用高昂，造成生產負擔。

還有一種降低鋁板淬火變形之方法，其針對鋁板於淬火時的擺放進行設計。此方法利用鋁板經熱軋後會呈現相似之翹曲的現象，而在鋁板淬火前之備料過程中，將相鄰鋁板以正反方向的方式擺放，藉此可減少鋁板淬火變形量。

另外，有一些技術係透過添加淬火液(glycol)於水中。在水中添加淬火液可有效減緩鋁板在淬火時的冷速。鋁板之冷速降低可減少鋁板之溫度梯度，因此可改善鋁板淬火後的平坦度。淬火液的添加雖可改善鋁板之平坦度，但改善程度仍無法滿足目前的品質需求。

因此，本揭露之一目的就是在提供一種鋁板之淬火方法，其使鋁板快速進入冷卻介質中，以減少氣泡與鋁板的接觸時間，並減少鋁板之上下溫差，藉此可使鋁板獲得對稱之變形量，進而可使鋁板更為平坦。

本揭露之另一目的就是在提供一種鋁板之淬火方法，其根據鋁板之尺寸而將二相鄰鋁板之間距適當地拉大，藉以減少累積在二相鄰鋁板之間隙中的氣泡，以縮短氣泡與鋁板的接觸時間，因此可提升鋁板之平坦度。此外，更可透過淬火液的添加，來減縮二相鄰鋁板之間距的拉大量，藉此可兼顧產能與鋁板之淬火品質。

根據本揭露之上述目的，提出一種鋁板之淬火方法。在此方法中，利用料架承載至少一鋁板。對此至少一鋁板進行固溶處理。於固溶處理後，對此至少一鋁板進行淬火處理。進行淬火處理包含將此至少一鋁板沒入冷卻介質中，以將此至少一鋁板冷卻至室溫。將此至少一鋁板沒入冷卻介質中包含將下降時間控制在等於或小於約2秒。

依據本揭露之一實施例，上述之料架為懸吊式料架，且配置以懸吊至少一鋁板。

依據本揭露之一實施例，上述之料架為底座式料架，且配置以利用一底座支承該至少一鋁板。

依據本揭露之一實施例，上述之至少一鋁板為6061系列鋁合金系統、6082系列鋁合金系統、6063系列鋁合金系統、或6069系列鋁合金系統。

依據本揭露之一實施例，上述之至少一鋁板之數量為複數個，且這些鋁板在料架上之排列間距為等於或大於10公分。

依據本揭露之一實施例，上述之冷卻介質包含水、或淬火水溶液，此淬火水溶液中之淬火液之體積濃度為約10%至約20%。

依據本揭露之一實施例，上述進行固溶處理包含將上述至少一鋁板加熱至固溶溫度、以及於此固溶溫度下進行持溫處理。此固溶溫度從約530℃至約570℃。

依據本揭露之一實施例，於進行持溫處理後，上述進行固溶處理更包含於冷卻介質之上方進行靜置空冷處理，直至上述至少一鋁板之溫度為約500℃至約540℃。

依據本揭露之一實施例，上述將至少一鋁板沒入冷卻介質中包含利用重力釋放方式、或利用馬達來增加此至少一鋁板之下降速度。

依據本揭露之一實施例，上述之至少一鋁板於冷卻介質中之冷速等於或大於30℃/s。

在鋁板現有製程中，鋁板於淬火處理中所產生之扭曲變形為鋁板品質無法提升的關鍵。有鑑於此，本揭露在此提出一種鋁板之淬火方法，其藉由加快鋁板沒入冷卻介質中的速度，來減少氣泡與鋁板之接觸時間，藉此可使鋁板在急速冷卻的過程中獲得對稱的變形量，進而可提升鋁板之平坦度。此外，針對多片鋁板一起淬火的製程中，本揭露可根據鋁板尺寸來調整鋁板之排列間距，以減少積聚在鋁板之間的氣泡，藉此可縮減氣泡與鋁板之接觸時間，進而可提升鋁板之平坦度。另外，可使用添加有淬火液的冷卻介質，以減緩鋁板之溫度下降速度，藉此可減少鋁板之溫度梯度的產生，而可進一步提升鋁板之平坦度。

在一些鋁板之淬火製程的例子中，先將鋁板排列於料架上。此料架主要包含底座、分隔棒、與吊掛柱，其中底座可支撐鋁板，分隔棒可設定鋁板之間距，吊掛柱可進行鋁板之懸吊與入水。接著，利用料架將鋁板載入固溶爐，以對鋁板加熱至固溶溫度，並持溫數小時，藉此使鋁板中所添加之合金固溶至基地中。隨後，將料架連同其上之鋁板沉入水中，使鋁板瞬間淬火冷卻至室溫，鋁板中便可析出強化組織。在此例子中，整個入水過程約3.5秒至4.0秒。

發明人發現這樣的淬火方式，鋁板於急速冷卻過程中，產生相當大的熱應力，而造成扭曲變形。淬火後，鋁板雖經拉直整平，依然呈現些許翹曲，無法符合下游廠商之精密加工的需求。

為了解淬火過程中，鋁板之不均勻熱變形的成因，發明人設計一系列的實驗，以探討鋁板經淬火後平坦度不佳的關鍵因素。這些實驗包含利用單片鋁板之水淬過程觀察核沸騰氣泡的影響、以攪拌器驅散氣泡對平坦度的改善效果、以及加入淬火液觀察氣泡的分布與運動情形。

在慢速淬火的實驗中，鋁板入水的過程因氣泡堆積在水面與鋁板之間的間隙中，鋁板與氣泡之接觸時間延長，而影響鋁板之兩側冷卻的對稱性，導致鋁板大量變形。在快速淬火的實驗中，鋁板與氣泡之接觸時間可獲得大幅縮減，而可避免氣泡的影響，因此鋁板在快速冷卻的過程中維持相當高的平坦度。此外，快速入水可減少鋁板之上下溫差，而可大幅改善鋁板之挫曲(bucking)現象。

從這些實驗中，發明人觀察到鋁板之翹曲變形主要係由氣泡所造成之冷速不均。因此，為了減少鋁板在冷卻過程中氣泡的干擾，本揭露之鋁板之淬火方法在淬火時讓鋁板快速進入冷卻介質中，讓氣泡浮出並堆積在冷卻介質之表面，藉此可達到減少氣泡與鋁板之接觸時間的目的，並減少鋁板之上下溫差，進而可提升鋁板之平坦度。

請參照圖1，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種鋁板之淬火方法的流程圖。本實施方式之淬火方法係一種垂直式(drop type)淬火方法。進行鋁板之淬火製程時，可先進行步驟100，以根據製程需求，而利用料架承載一或多片鋁板。舉例而言，鋁板可為6061系列、6082系列、6063系列、或6069系列鋁合金系統。

根據實際生產經驗與實驗室測試，淬火液的添加對於單片鋁板的淬火確實能發揮作用。但當多片鋁板一起沉入水中時，若相鄰二鋁板之間的間距有限，相鄰鋁板所產生之氣泡會堆積在此二鋁板之間的間隙中。此時，氣泡與鋁板的接觸時間將大幅增加，且冷卻介質中產生不均勻之熱對流。在一試驗例子中，因鋁板間距太小，大量氣泡累積在鋁板之間的間隙中，加上不均勻熱對流，造成鋁板扭曲變形。因此，淬火時，僅僅添加淬火液，或調整淬火液之濃度，所生產出來的鋁板並無法滿足產品需求。

在本實施方式之一些例子中，當料架裝載有多片鋁板時，為了兼顧量產與鋁板之平坦度，將鋁板在料架上之排列間距控制在等於或大於約10公分。鋁板之排列間距可在兼顧量產與鋁板之平坦度的情況下，根據鋁板尺寸來調整。舉例而言，鋁板之長度與寬度愈大，可隨之拉大鋁板的排列間距。

將鋁板裝載於料架上後，可進行步驟110，以對鋁板進行固溶處理。在一些例子中，進行固溶處理時，可利用料架將鋁板載運到固溶爐內，並將料架與鋁板一起加熱至鋁板之固溶溫度。隨後，在此固溶溫度下對鋁板進行持溫處理，以使鋁板中所添加之合金固溶至基地中。在一些示範例子中，固溶溫度為約530℃至約570℃。此外，持溫時間可例如為約3小時至約4小時。

對鋁板進行持溫處理後，固溶處理更可包含利用料架將鋁板載出固溶爐。在一些例子中，利用料架將鋁板載運到冷卻介質的上方，以使鋁板在距離冷卻介質之表面一定高度下進行靜置空冷處理，直到鋁板之溫度冷卻至約500℃至約540℃。

於固溶處理後，可進行步驟120，以對鋁板進行淬火處理。進行淬火處理時，將鋁板快速沒入下方的冷卻介質中，以使鋁板快速冷卻至室溫。在一些例子中，鋁板在冷卻介質中的冷速等於或大於約30℃/s，以利6061、6082、6063、與6069等6系列鋁合金系統之淬火的進行。可利用冷卻系統來控制冷卻介質之溫度。冷卻介質之溫度可例如控制在約15℃。冷卻介質可包含水，或者摻混有淬火液之水溶液。在一些示範例子中，冷卻介質為淬火水溶液，且淬火水溶液中之淬火液之體積濃度可為約10%至約20%。

在一些例子中，將鋁板沒入冷卻介質中時，可利用重力釋放方式，即使鋁板、或鋁板與料架自由落下。在另一些例子中，可利用馬達驅動方式來將鋁板沒入冷卻介質中，並可透過調整馬達的運作來增加鋁板的下降速度。舉例而言，透過改變馬達頻率加速曲線來增加鋁板的下降速度。在一些示範例子中，將鋁板快速沒入冷卻介質時可將鋁板的下降時間控制在等於或小於約2秒。鋁板之下降時間為從鋁板接觸到冷卻介質到鋁板完全沒入冷卻介質中。

當鋁板抵達冷卻介質下一設定深度時，可減緩鋁板之下降速度。此設定深度為從冷卻介質表面至鋁板之頂面之間的距離。在一些示範例子中，此設定深度為約50公分至約70公分。

將鋁板快速沒入冷卻介質，可有效縮減氣泡與鋁板的接觸時間，並可減少鋁板之上下溫差。而使鋁板維持在冷卻介質之表面下一設定深度以及調整鋁板間的排列間距，則可使氣泡浮出並堆積在冷卻介質之表面處，而可避免氣泡積聚在鋁板之間的間隙中。藉此，可大幅降低氣泡的影響，使鋁板在快速冷卻過程中獲得對稱的變形量，進而可提升鋁板之平坦度。

淬火後之鋁板需再經拉直整平處理，以消除鋁板淬火快速冷卻所造成的表面熱應力，並提升鋁板之平坦度。

本揭露之淬火製程的進行可採用不同型式之料架。請參照圖2A與圖2B，其係分別繪示依照本揭露之一實施方式的一種鋁板淬火時之備料狀態與鋁板釋放後的裝置示意圖。在此實施方式中，料架200為懸吊式料架，可懸吊一或多個鋁板300。在一些例子中，料架200主要可包含基架210、懸吊架220、與懸吊部230。如圖2A所示，懸吊架220立設於基架210之上。懸吊部230主要可包含釋放件232與二吊掛件234。釋放件232可例如設於基架210上。每個吊掛件234之一端可與釋放件232接合，而另一端可與鋁板300結合。

進行淬火時，可操作釋放件232，以釋放吊掛件234之一端。此時，如圖2B所示，鋁板300因其自身的重量而下墜至冷卻介質中，直至整個沒入冷卻介質中。這樣的重力釋放方式，可實現鋁板的加速入水。

由於料架200係以懸吊方式承載鋁板300，而無底座與鋁板300一起沒入冷卻介質，因此可避免鋁板300在沒入冷卻介質的過程中接觸到底座這類下方結構冷卻時所產生的氣泡。故，可降低淬火時所產生的氣泡數量，而可減少鋁板300與氣泡接觸的機會，進而可提升鋁板300之平坦度。

請參照圖3，其係繪示依照本揭露之另一實施方式的一種鋁板淬火時的裝置示意圖。在此實施方式中，料架400為底座式料架，可支承一或多個鋁板300。在一些例子中，料架400主要可包含底座410、多個支撐柱420、與多個吊掛柱430。支撐柱420立設於底座410之上，且可設定鋁板300之間距，並隔開相鄰二鋁板300。可經由吊掛柱430來懸吊與釋放整個料架400及其上所裝載之鋁板300。

進行淬火時，可將料架400連同其上之鋁板300一起沒入冷卻介質中。可利用重力釋放方式，使料架400與鋁板300因其自身的重量而下墜至冷卻介質中，直至鋁板300整個沒入冷卻介質中。另外，亦可透過馬達驅動方式，來驅使料架400與其上之鋁板300一起沒入冷卻介質中。

由於料架400係以底座410來承載鋁板300，因此料架400與鋁板300一起沒入冷卻介質時，鋁板300下方之底座410在冷卻過程中會產生氣泡。如此雖可能會增加鋁板300與氣泡接觸的機會，然藉由使鋁板300快速沒入冷卻介質的方式，可大幅縮減氣泡對鋁板300的接觸時間，仍可有效改善鋁板300於淬火後的平坦度。

在一些試驗例子中，規劃了兩種不同型式的料架與兩種不同之入水速度。四種結果中，以懸吊式料架承載鋁板且快速入水的結果最好，鋁板維持平坦狀態。以底座式料架承載鋁板且快速入水的結果次佳，底座冷卻時產生的大量氣泡向上浮出水面，這些氣泡經過鋁板時對鋁板造成些許影響。以懸吊式料架承載鋁板且慢速入水的方式造成鋁板有L方向的翹曲(L-bow)，即長度方向的翹曲。以底座式料架承載鋁板且慢速入水之鋁板的扭曲情況最嚴重。

為了驗證上述操作條件的可行性，對厚度13.5mm之單片鋁板進行淬火實驗。首先，加熱鋁板，而將鋁板升溫至570℃，並持溫3.5小時。將鋁板載出加熱爐後，將料架停放在水面上方進行空冷，直至鋁板溫度降到530℃，再手動釋放機構進行鋁板的快速入水。鋁板入水過程僅費時0.8秒，相較於習知之鋁板入水時間約3.5秒，本揭露之淬火製程實施例的鋁板入水速度為習知的4倍以上。在此實驗中，鋁板之側面安裝有測溫線，並以高速紀錄器擷取淬火時鋁板各部位的溫度歷程，以供定量分析。習知淬火製程因入水速度較慢，鋁板之上下溫差可達250℃。而本揭露之淬火製程實施例使鋁板快速入水，使得鋁板之上下溫差可縮小為80℃。相較於習知淬火製程，本實施例之鋁板溫差縮小效果相當顯著。在此實施例中，鋁板在熱軋後本身帶有12mm之L方向翹曲以及10mm之C方向翹曲(C-bow)，即寬度方向的翹曲。鋁板於快速水淬後，平坦度發生不到5mm的變化。

再對多片鋁板進行淬火實驗，先將鋁板裝載於料架上，其中鋁板之排列間距設為13公分至14公分。再加熱鋁板，以將鋁板升溫至570℃，並持溫3.5小時。將鋁板載出加熱爐後，將料架停放在水面上方進行空冷，直至鋁板溫度降到530℃，再進行鋁板的快速入水。鋁板入水時間約0.7秒至0.8秒。鋁板在水中的下降過程，產生大量氣泡堆積在相鄰之鋁板的間隙中。觀察在這期間的鋁板外形，發現鋁板之L方向逐漸發生少許變形。基於小型鋁板淬火的經驗來評估，若再增加鋁板之入水速度，可進一步減少氣泡的影響時間，應可提升鋁板之平坦度。

這些鋁板經淬火後，除了L方向的翹曲有些許增加外，鋁板並無C方向的翹曲與明顯的扭曲。後經拉直整平處理後，鋁板之C方向與L方向的翹曲量均小於1mm。再對鋁板進行取樣，並以切槽法量測鋁板之厚度方向的殘留應力分佈，結果顯示鋁板在L方向與C方向上的應力分佈相當對稱，均小於10MPa，接近精密鋁板等級。

由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之鋁板之淬火方法使鋁板快速進入冷卻介質中，以減少氣泡與鋁板的接觸時間，並減少鋁板之上下溫差，藉此可使鋁板獲得對稱之變形量，進而可使鋁板更為平坦。

本揭露之另一優點就是因為本揭露之鋁板之淬火方法根據鋁板之尺寸而將二相鄰鋁板之間距適當地拉大，藉以減少累積在二相鄰鋁板之間隙中的氣泡，以縮短氣泡與鋁板的接觸時間，因此可提升鋁板之平坦度。此外，更可透過淬火液的添加，來減縮二相鄰鋁板之間距的拉大量，藉此可兼顧產能與鋁板之淬火品質。

雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:步驟 110:步驟 120:步驟 200:料架 210:基架 220:懸吊架 230:懸吊部 232:釋放件 234:吊掛件 300:鋁板 400:料架 410:底座 420:支撐柱 430:吊掛柱

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： ［圖1］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種鋁板之淬火方法的流程圖； ［圖2A］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種鋁板淬火時之備料狀態的裝置示意圖； ［圖2B］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種鋁板淬火時之鋁板釋放後的裝置示意圖；以及 ［圖3］係繪示依照本揭露之另一實施方式的一種鋁板淬火時的裝置示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

200:料架

210:基架

220:懸吊架

230:懸吊部

232:釋放件

234:吊掛件

300:鋁板

Claims (8)

1. 一種鋁板之淬火方法，包含：利用一料架承載至少一鋁板，其中該料架為一懸吊式料架，且配置以懸吊該至少一鋁板；對該至少一鋁板進行一固溶處理；以及於該固溶處理後，對該至少一鋁板進行一淬火處理，其中進行該淬火處理包含將該至少一鋁板沒入一冷卻介質中以將該至少一鋁板冷卻至室溫，將該至少一鋁板沒入該冷卻介質中包含將一下降時間控制在等於或小於2秒。
2. 如請求項1所述之方法，其中該至少一鋁板為6061系列鋁合金系統、6082系列鋁合金系統、6063系列鋁合金系統、或6069系列鋁合金系統。
3. 如請求項1所述之方法，其中該至少一鋁板之數量為複數個，且該些鋁板在該料架上之一排列間距為等於或大於10公分。
4. 如請求項3所述之方法，其中該冷卻介質包含水、或一淬火水溶液，該淬火水溶液中之淬火液之體積濃度為10%至20%。
5. 如請求項1所述之方法，其中進行該固溶處理包含將該至少一鋁板加熱至一固溶溫度、以及於該固溶 溫度下進行一持溫處理，該固溶溫度從530℃至570℃。
6. 如請求項5所述之方法，其中於進行該持溫處理後，進行該固溶處理更包含於該冷卻介質之上方進行一靜置空冷處理，直至該至少一鋁板之一溫度為500℃至540℃。
7. 如請求項1所述之方法，其中將該至少一鋁板沒入該冷卻介質中包含利用一重力釋放方式、或利用一馬達來增加該至少一鋁板之一下降速度。
8. 如請求項1所述之方法，其中該至少一鋁板於該冷卻介質中之一冷速等於或大於30℃/s。

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