在線多級余熱淬火系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在線多級余熱淬火系統(tǒng)，用于提高擠壓材，尤其是厚大截面擠壓材的淬透深度，屬于金屬高溫形變熱處理技術領域。
【背景技術】
[0002]淬火是指將金屬工件加熱到某一適當溫度并保持一段時間，隨即浸入淬冷介質中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火臨界冷卻速率是指淬火需要的最小冷卻速度，若比這個冷卻速度再低，則不能達到淬火效果。淬透性是指試樣在規(guī)定的工藝條件下淬火，所能獲得的最大淬硬層的深度。余熱淬火是指利用冷卻介質將剛剛經過熱變形的高溫金屬材料迅速地冷卻到較低溫度，使淬火組織中保留過飽和固溶體，為后續(xù)時效強化提供熱力學與動力學條件。以前的余熱淬火冷卻介質一般采用水并循環(huán)使用，水溫基本是環(huán)境溫度。在線余熱淬火具有如下優(yōu)點:(I)利用熱變形后的余熱快速淬火后的擠壓材可直接進行人工時效，從而省去了固溶處理環(huán)節(jié)，從而有效地節(jié)約了能源；(2)能夠有效保留變形態(tài)組織中的高密度位錯，增加了沉淀相的形核位置，有利于提升后續(xù)人工時效時的沉淀強化的效果；(3)防止粗大的高溫沉淀相在緩慢冷卻過程中析出，從而確保較高的固溶體過飽和度，同樣有利于提升沉淀強化效果；(4)防止細小變形晶粒的長大。
[0003]對于厚大截面的合金制品在淬火時，當表層溫度冷至介質溫度時，由于截面過厚，心部的冷卻速度低于達到淬火要求的臨界冷卻速率，導致合金制品的心部不能獲得較為理想的性能，從而對零件的使用產生影響。
[0004]同時，當高溫厚大截面擠壓材表面迅速冷卻到室溫時，表層和心部存在很大的溫差，造成兩者在冷縮量和冷縮速度上存在巨大差別，心部的收縮量大于表層，最終導致心部承受拉伸殘余應力，表層承受壓縮殘余應力。殘余應力的危害很大，它能造成擠壓材心部開裂，同時縮短零件的使用壽命并降低其的耐蝕性，更嚴重的是，會使擠壓材的形狀尺寸發(fā)生變化。為了控制殘余應力，目前主要采用沸水、空氣或其它介質淬火以適當?shù)姆绞浇档屠鋮s速率。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種在線多級余熱淬火系統(tǒng)，以提高擠壓材心部的時效強化效果，同時避免心部開裂并弱化擠壓材的淬火殘余應力，實現(xiàn)最終產品的形狀和尺寸穩(wěn)定性。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0007]—種在線多級余熱淬火系統(tǒng)，包括放置在擠壓機出口前方具有噴淋功能的導路，該導路依次由噴氣導路、噴水導路和噴低溫冷水導路組成，或者依次由噴氣導路、噴霧導路、噴水導路和噴低溫冷水導路組成。
[0008]所述噴氣導路、噴霧導路和噴水導路各自獨立制作，或整合為一體，或兩兩合并，所述噴低溫冷水導路獨立存在。
[0009]所述擠壓機的模座上依次放置前環(huán)、中環(huán)和后環(huán)，模具和模墊位于前環(huán)中，模具、模墊、中環(huán)和后環(huán)的內孔尺寸依次增大。
[0010]所述噴氣導路放置在中環(huán)和后環(huán)的內孔中，其前沿抵住模墊或模具。
[0011]所述噴氣導路中的冷卻介質為高壓氣體，噴氣方向與擠壓材前進方向的夾角Θ 彡 90° O
[0012]所述噴霧導路中的冷卻介質為水霧，由高壓氣體和高壓水經具有造霧功能的噴嘴形成。
[0013]所述噴水導路中的冷卻介質為高壓室溫水，噴水方式為射流形式，噴水寬度大于擠壓材的寬度。
[0014]所述噴低溫冷水導路中的冷卻介質為-70?-10°C冷卻循環(huán)水，噴水方式為射流形式。
[0015]所述噴氣導路、噴霧導路、噴水導路和噴低溫冷水導路各自噴射段的長度根據(jù)擠壓機結構、擠壓材的截面形狀和總面積，擠壓材的熱導率等因素綜合考慮。該四個導路的冷卻時間由噴射強度、噴射段的長度和擠壓材的前進速度共同決定。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0017]本發(fā)明可以弱化擠壓材，尤其是厚大截面擠壓材的淬火殘余應力，避免心部開裂，最大限度地提高擠壓材的余熱淬火效果；同時提高擠壓材心部的性能，實現(xiàn)最終產品的形狀和尺寸穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明在線多級余熱淬火系統(tǒng)結構的剖面示意圖。
[0019]附圖標記:
[0020]I模具2模墊3前環(huán)4中環(huán)5后環(huán)6噴氣導路7噴霧導路8噴水導路9噴低溫冷水導路10噴氣嘴11噴霧嘴12噴水嘴
【具體實施方式】
[0021]下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0022]如圖1所示，通常的擠壓機的模座上依次放置前環(huán)3、中環(huán)4和后環(huán)5，模具I和模墊2位于前環(huán)I中，模具1、模墊2、中環(huán)4和后環(huán)5的內孔尺寸依次增大。本發(fā)明的噴氣導路6放置在中環(huán)4和后環(huán)5的內孔中，噴氣導路6前沿抵住模墊2。噴氣導路6、噴霧導路
7、噴水導路8和噴低溫冷水導路9依次設置在擠壓機出口前方，噴低溫冷水導路9連接冷水機。根據(jù)實際需要，其中的噴霧導路7可以省去。噴氣導路6、噴霧導路7和噴水導路8各自獨立制作，或整合為一體，或兩兩合并，噴低溫冷水導路9獨立存在。
[0023]噴氣導路6中的冷卻介質為高壓氣體，高壓氣體經噴氣嘴10噴出，噴氣方向與擠壓材前進方向(圖1中的箭頭方向)的夾角Θ <90°，以防止氣體將模具吹涼又可以利用氣幕阻隔水汽或水流。
[0024]噴霧導路7中的冷卻介質為水霧，由高壓氣體和高壓水經具有造霧功能的噴嘴11形成。
[0025]噴水導路8中的冷卻介質為高壓室溫水，經噴水嘴12噴向擠壓材，噴水方式為射流形式，噴水寬度大于擠壓材的寬度。
[0026]噴低溫冷水導路9中的冷卻介質為-70?-10°C冷卻循環(huán)水，噴水方式為射流形式。
[0027]在噴霧導路7、噴水導路8和噴低溫冷水導路9中，噴霧或噴水方向與擠壓材前進方向的夾角Θ可為90°。
[0028]實施例1
[0029]Mg-8wt.% Al-0.4wt.% Zn鎂合金(簡稱AZ80)是一種常用的商業(yè)鎂合金，導熱率約為82W/(m.K)，用熱擠壓法生產290mmX 230mm厚大截面擠壓材過程中，需要進行在線淬火，早期使用的在線余熱淬火導路為單純的高壓水冷，噴水長度為3000mm，高壓水柱噴射擠壓材的四周，擠壓材進入淬火系統(tǒng)時的溫度為400°C，擠壓速度為0.8mm/s，通過淬火導路冷卻后擠壓材溫度為室溫，但在后續(xù)定尺鋸切時發(fā)現(xiàn):整根排材的心部存在裂紋。
[0030]在后續(xù)實驗中，改變淬火方式，在擠壓材擠出模具后，進入淬火系統(tǒng)的溫度仍為400°C，速度仍為0.8mm/s，擠壓材先后通過高壓氣冷導路和霧冷導路，然后再進行高壓水淬火，發(fā)現(xiàn)擠壓材的淬火殘余應力大幅下降，方棒心部開裂得以避免。然而，在進行性能測試時發(fā)現(xiàn)，AZ80擠壓材表面拉伸性能抗拉強度達400MPa以上，而擠壓材心部拉伸性能抗拉強度僅為300MPa，擠壓材心部性能與擠壓材表面的性能的差距較大。
[0031]改為采用本發(fā)明的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，增加了連接冷水機的噴低溫冷水導路9。為了擠壓材能在擠壓模具I后的最短時間內進行淬火，將噴氣導路6放置在中環(huán)4內孔內，導路前沿抵住模墊2。噴霧導路7和噴水導路8緊隨噴氣導路6，連接冷水機的噴低溫冷水導路9獨自存在，與噴水導路8連接在一起，構成淬火系統(tǒng)。噴氣導路6長度為400mm，噴霧導路7長度為300mm，噴水導路8長度為1000mm，連接冷水機的噴低溫冷水導路9長度為800mm。噴氣導路6中，冷卻介質為高壓氣體，噴氣孔10的噴氣方向與擠壓材前進方向的夾角O = 80°。噴霧導路7中，噴嘴具有造霧功能，冷卻介質為水霧，在空腔內同時通入高壓氣體和高壓水，通過噴嘴形成水霧。噴水導路8中，冷卻介質為高壓水，冷卻方式為射流形式。噴水導路9中，冷卻介質為-60°C的冷卻循環(huán)水。四個導路的氣體、水霧和水均噴射在擠壓材四周。
[0032]厚大截面擠壓棒材AZ80經過本發(fā)明的在線多級余熱淬火系統(tǒng)冷卻后，擠壓材淬火殘余應力下降，心部不存在開裂現(xiàn)象，同時，AZ80擠壓材表面縱向拉伸性能抗拉強度仍達400MPa以上，而擠壓材心部縱向拉伸性能抗拉強度達380MPa，擠壓材心部的縱向拉伸性能提高約26%以上。
[0033]實施例2
[0034]Mg-5wt.% Zn-lwt.% Mn鎂合金(簡稱ZM51)是一種高導熱變形鎂合金，導熱率約為120W/(m.K)。在用擠壓法生產尺寸為290mmX 230mm厚大截面ZM51鎂合金方棒過程中，早期冷卻采用單一水冷余熱淬火導路，噴水段長度5米，導路內孔為圓形，實現(xiàn)360°噴射，冷卻前溫度380°C，擠壓速度1.2mm/s，冷卻后為室溫水溫度。經過后期性能檢測，發(fā)現(xiàn)ZM51鎂合金擠壓材表面拉伸性能抗拉強度達350MPa以上，而擠壓材心部拉伸性能抗拉強度僅為260MPa，擠壓材心部性能與擠壓材表面的性能的差距較大。
[0035]在相同的擠壓溫度后擠壓速度條件下，將冷卻系統(tǒng)改為采用本發(fā)明的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，增加噴氣、噴水和噴_30°C冷卻循環(huán)水。淬火系統(tǒng)示意圖如圖1所示，由噴氣導路6、噴霧導路7和噴水導路8和噴低溫冷水導路9組成，導路內孔仍為圓形。噴氣導路6中，冷卻介質為高壓氣體，噴氣孔10的噴氣方向與擠壓材前進方向的夾角O = 80°。噴霧導路7中，噴嘴具有造霧功能，冷卻介質為水霧，在空腔內同時通入高壓氣體和高壓水，通過噴嘴形成水霧。噴水導路8中，冷卻介質為高壓水，冷卻方式為射流形式，噴低溫冷水導路9中，冷卻介質為-30°C的冷卻循環(huán)水。四個導路的氣體、水霧和水均噴射在擠壓材四周。
[0036]經過本發(fā)明的在線多級余熱淬火系統(tǒng)冷卻后，厚大截面擠壓棒材ZM51表面縱向拉伸性能抗拉強度仍達350MPa以上，而擠壓材心部縱向拉伸性能抗拉強度達330MPa，擠壓材心部的縱向拉伸性能提尚約20%以上。
【主權項】
1.一種在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:包括放置在擠壓機出口前方具有噴淋功能的導路，該導路依次由噴氣導路、噴水導路和噴低溫冷水導路組成，或者依次由噴氣導路、噴霧導路、噴水導路和噴低溫冷水導路組成。2.根據(jù)權利要求1所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴氣導路、噴霧導路和噴水導路各自獨立制作，或整合為一體，或兩兩合并，所述噴低溫冷水導路獨立存在。3.根據(jù)權利要求1所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述擠壓機的模座上依次放置前環(huán)、中環(huán)和后環(huán)，模具和模墊位于前環(huán)中，模具、模墊、中環(huán)和后環(huán)的內孔尺寸依次增大。4.根據(jù)權利要求3所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴氣導路放置在中環(huán)和后環(huán)的內孔中，其前沿抵住模墊或模具。5.根據(jù)權利要求1所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴氣導路中的冷卻介質為高壓氣體，噴氣方向與擠壓材前進方向的夾角Θ < 90°。6.根據(jù)權利要求1所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴霧導路中的冷卻介質為水霧，由高壓氣體和高壓水經具有造霧功能的噴嘴形成。7.根據(jù)權利要求1所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴水導路中的冷卻介質為高壓室溫水，噴水方式為射流形式，噴水寬度大于擠壓材的寬度。8.根據(jù)權利要求1所述的在線多級余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴低溫冷水導路中的冷卻介質為-70?-10°C冷卻循環(huán)水，噴水方式為射流形式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在線多級余熱淬火系統(tǒng)，包括放置在擠壓機出口前方具有噴淋功能的導路，該導路依次由噴氣導路、噴水導路和噴低溫冷水導路組成，或者依次由噴氣導路、噴霧導路、噴水導路和噴低溫冷水導路組成。采用本發(fā)明可以弱化擠壓材，尤其是厚大截面擠壓材的淬火殘余應力，避免心部開裂，最大限度地提高擠壓材的余熱淬火效果；同時提高擠壓材心部的性能，實現(xiàn)最終產品的形狀和尺寸穩(wěn)定性。
【IPC分類】C21D1/667
【公開號】CN105714049
【申請?zhí)枴緾N201410734214
【發(fā)明人】張奎, 李興剛, 李永軍, 袁家偉, 馬鳴龍, 石國梁, 李婷
【申請人】北京有色金屬研究總院