水溶性聚合物淬火剂在铝合金热处理中的应用

0 一弓 、 折工艺 ·新技术 ·新设备 水溶性聚合物淬火剂 在铝合金热处理中的应用 Application of Water—Soluble Polymer Quenching M edium in Heat Treatment of AI Alloy 成都飞机工业公司 墨些垦 彳 DI-；』 ／j[提要]介绍了水溶性聚合物淬丸剂在铝舍金热处理中的应用试验，并与水作了比较．指出水溶性聚合物淬火剂 显著降低 了铝台金淬后变形．可代替喷雾淬戈。 一 ~ABSTRACT] The application test of the water—soluble polymer quenching medium in AI alloy heat treatment is discussed in the paper．Deformation of AI alloy are obviously decreased a[ter quenching whe n using the water—so]u— ble polymer quenching medium which can take the place 0f spraying quenching． 主题词 ；淬火卉鼍 铝合金 热处理 — - — - - - - 一 由6061铝合金制造 的 MD机头零件 中有 19项为喷雾淬 火 ．喷雾淬火是将水 高压提升并通过喷头将水雾化冷却零件。 从玲却速度 比较，此方法比水慢而 比空气快 ， 达到零件淬火 目的叉能满足低的变形要 求。但喷雾淬火需在专用设备上进 行 ，而 且设备投资极其 昂贵．工厂无此生产条件 为摸索 6061 制造的 MD机头零件热处理 生产方法 ，又为工 厂进一步开发 水溶性淬火舟质的应用，故选用深封I『好富顿公司 (Houghton) 生产的 251水溶性淬火舟质进行了工艺试验 。 1 铝台金热处理工艺简介 铝合金的基本热处理形式是退火和同溶 (淬火)时效 。淬 火时效是铝合金的强化处理，铝合金的淬火 目的是把台金在 高温的固溶体组织固定到室温，获得过饱和固溶体以便 在随 后的时效 中使合金强化，为了这一目的，在热处理工艺中除了 对淬火加热温度和 时间，时效温度和 时间的基本工艺参数需 控制外 ，另外重要的是淬火转移时间和冷却速度。为防止由于 零件温度下降而导致同溶体部分分解 。在生产中要求尽可能 缩 短淬火转移时阿。如美国 MIL—H一6088{铝合金热处理 说 明书中就对 不同铝件的厚度规定了各 自的最长淬火转 移时 间，一般在 5～15s内，而为保证铝合金的一定冷却速度 ，在生 产中通常用水作为淬火舟质 承作为淬火介质有着价廉，来源 广、用途 广泛而冷却迅速等优点，但对大多数铝合金零件 来 说，冷却速度过分迅速会造成严重变形和极大的应力，增加校 形工时甚至弓『起零件超差和报废。 鉴于 上原因，新 的有机淬火剂应运而生 ，这些淬火剂均 需经水稀释后使用。聚合物淬火剂重要特性就是具有逆溶性 ． 即在玲水中溶解而在大于 75℃热水 中反而不溶解 干Ⅱ用这一 特性 ，当加热了的金属零件淬入聚台物淬火剂时．就在金属 层上沉积了一层起着隔热作用 的均匀液 态薄膜，故降低了零 件的冷却速度 。随着工件冷却 ，膜叉逐渐溶解使工件表面导热 均匀 ，从而减少了由于冷却不匀而造成的变形 、开裂现象 。圆 此，聚合物淬火剂在 国外航空工业中获得了广泛应用。 2 聚合物淬火剂在航空工业中的应用 波音公司和麦道公司在它们的 BAC和 DPS热处理工艺 说明书中对聚合物淬火荆的应用范围、浓度测试方法和指标、 周期以及一些等均作了明确的规定 尤其是渡音公 司应用更为广泛 ，铝件在聚二醇水溶液中淬火 ．几乎消除了淬 火变形 ，仅在一个 车间里 ，一年总共节省的校正费用超过 6o 万美 元 。 英国飞机公司，美 国共和飞机公司、加拿大航空公 司等 使 用 UconA和 2 50水 溶 性 淬 火 剂 对 铝 合 金 甚 至 钛 合 金 进行淬火获得 良好效果 。据波音公司和英 国飞机公司统计 ， 使 用聚 二醇淬 火与水 淬火 比较 ，校形量分 别 减少 64 和 52 。 美 国 PMI公司 (Pragressive Metallurgical Industries)对 1j种不同结构的飞机锻造窗 口骨架进行 了热处理 ，这些零 件 均要求严格的变形公差 ，由于使用了聚二醇-谇火剂 ，均获得了 满意的效果 。 西巷 MBB公司所采用的新工艺 、新技术中就使用 了聚 乙二醇淬火荆。该公司的市莱梅工厂是运输机分部小钣金件 加工 中心，铝合金热处理 生产线较先进，有一个垒 自动程序控 制热处理站 (钣金件柔性制造系统 CIAM 的一部分)，其 中就 配备了二个聚乙二醇淬火槽 。 格鲁门飞机公司对热处理进行了全面技术改造 ，在铝合 金热处理中t冷却介质除水“外广泛采用了聚台物水溶性淬 火剂和液氮淬火 。目前该公司飞机铝合金零件 中 50 上均 采用聚合物水溶性淬火剂，而水淬仅 占 5 国内航空工业对聚合物淬火剂也作 了不步试验和应用工 作 ，西安飞机工业公司和我公司对聚合物淬火荆均进行 了系 统的试验 ，但 由于各种客观原因一直未能正式用于生产 。 毫无疑问t聚合物淬火荆作 为一种用于铝合金热处理的 淬火剂 ，在减少零件变形、降低残余应力等方 面有着其它淬火 剂无可比拟的优 点t对其在航空工业内的推 广应用应 该引起 足够的重视 。 1994年算 5期 维普资讯 http://www.cqvip.com 新工艺 ·新技术 ·新设备 3 试验方案 3．1 试验 目的 本试验的 目的是针对 MD机头 中使用 6061合金 T6X状 态(T6X系喷雾淬火)改用聚合物淬 火剂的工艺特 点及效果， 并使之能符合 MD公 司 DPS7．00—1的要求，也为工厂进一 步开发应用聚合物淬火剂，选择性能优良的聚合物淬火剂作 好准备。 3．2 试验条件 3．2．1 有机淖太剂的选择 本试验选择的有机淬火剂为美国好富顿(探圳)有限公 司 生产的 251水溶性聚合物淬火剂 这种淬火剂不舍油，遇 火焰 不燃烧 ，淬火后工件上不留油污和焦斑，工件清洗容易，冲洗 即可 ，不需专 门清洗设备。 3．2．2 试验 材料 试验材料为 6o61 o．813mm×2：5．4ram×254mm(0 032 英寸 ×1英寸 ×10英寸)(美国材料) LY12 1mill×25ram×25Omm(国产材料) LY12是硬铝中应用最广、强 度最高的一类 ，一般在 自然 时效状 态下使用。LY12合金可生产除锻件 以外的其它各种 半成 品，板材主要用作飞机蒙皮、壁板，型材可制作飞机隔框、 翼肋 、长桁等 6061属 A1一ME—si—cu系合金 ，具有优 良的热塑性 ， 较典型的用逾：门、窗以及在航空工业中用作直升机旋翼等 3．2．3 试 验设 奋 固溶处理加热设 备 uH一31井式空气循 环电炉 ，时效 处 理 加热设备 101— 2电热鼓 风烘 箱 ，炉温 均匀性 士5℃符 合 MIL标准要求。水槽和聚合物淬火槽 ，人工搅拌 ，田仅淬铝合 盒试样可满足要求。 3．2．4 热处理 工 艺 LY12：固溶温度 500+3"C，保温 35rain，自然时效 96h} 6061：固溶温度 530土5℃，保温 35mir1． 人工时效温度 177土5℃，保温 8～9h。 3．2．5 试 样 和测 试 内容 LY12处理至 T42状态 ，6061处理至 T62状态。主要进 行硬度、导电率、垒相 晶问腐蚀、机械性能试验 。 3．2．6 试验 程序 配制 251聚合物淬火剂敞度由低至高依次进行 。试样淬 火后 按如下次序进行测试 ；导电率检查+硬度检查+机械性 能+保存料头，取每组中 a 最低试片作金相检查一 最低 者作晶间腐蚀债向试验。为排除淬火转移时间的影响，试片淬 火转移时间不大干 7s 3．2．7 淬太液的配制 为进行聚合物淬火剂工艺试验 ，特配制淬火槽，其最大尺 寸为 ；700minx 500ram×770mm。接好富顿介绍的方法配置 淬火液，先在槽中注入清水 ，为配置 22 浓度，槽中清水注入 辣 度约 468mm，然后加入 251聚合物淬火荆至 600ram，同样 方法 配置 26 浓度 。 3．2．8 淬是液浓度配 l依据 本试验目的是 6061台金喷雾淬火改用聚合物淬火 按 MD公司 DPS工艺要求 ，最大聚合 物百分 比含量为 36 ，某 航空工艺技术 些特定零件图号在聚合物淬火时最大浓度为 22 ，故本试验 采用 22 浓度．同时插入 26 浓度 ，采取与承 淬对 比方法进 行试验 4 试验结果 4．1 硬度和导电率值 表 1 LYl2的硬 度 和导 电半 值 (T42状 态) 硬度值 HRB 导电率值 IAC$ 舟 质 浓度 试样 <平均值) <平均值) 1 63 95 33 1 7 2 65 25 33．03 聚台物淬火剂 22 251 3 64 55 32．80 64 95 32 97 64．30 33．20 自 6 62 ． 50 32．87 水 来 水 63．10 33 23 8 62 9O 33 17 01 64．0 33．03 02 64．0 32．97 聚合物淬火荆 26 251 03 64．1 33．07 04 63．7 33 27 63．8 32 70 自 06 63 ． 8 32 63 木 来 水 63．9 32．73 08 64．1 32．77 表 2 6061的硬度和导电丰值(T62：状 态) 硬度值 HRB 导电率值 IAC5 舟 质 浓度 试样 (平均值) (平均值) 1 47．25 50．O0 自 2 46 ．35 50 35 水 来 水 3 47 05 50 10 46．95 50．O0 48．30 5仉 00 6 5O．10 22 7 ,t7．65 50 05 聚合物淬火剂 8 49．oo 50 50 251 51．25 5O．15 02 49 30 5n 1O 26 03 48．75 50 40 04 51．35 50．10 05 49．75 50．3O 自 06 48 ． 80 5O 05 水 来 柬 O7 50．45 08 49 15 49．95 维普资讯 http://www.cqvip.com 新工艺 ·新技术 ·新设备 4．2 金 相 LY12、6061显微组织无过烧 4．3 晶间腐蚀倾向 按 MIL—H 6088规 定 6061台金币作 晶闻腐 蚀倾 向， LY1 2淬水、淬浓度 22 和 26 的 251聚合物淬火剂均未发 现有晶间腐蚀倾同性 4．4 机械性能 机械性能试验在瑞士产 100HFPS000高频疲劳试验机上 进行 。 表 3 LY12机械 性 能试 验 结果 (CZ状 态 ) 抗拉强度 ％ 2 淬火剂 试样号 热趾理工艺 (N／mm2) 1N／m m ( ) 01 410 250 19 8 4】0 255 20 8 承 410 2j5 22 4 淬火温度： 04 21 0 500士 3C 1 410 24 ． 1 聚合物淳 2 415 像温时间： 火 剂浓度 410 255 22．0 35rain 28 415 260 22．0 水}争 05 410 22．2 时技 96h 聚合物件 06 255 23 ． 2 火剂浓度 (高温 ) 26 415 19．5 410 255 21．1 表 4 6061机械 性 能 试验 结果 (T62状 志 ) 抗拉强度 d 8 淬A剂 试样号 热处理工艺 (N／mm21 (N／mm21 ( 1 295 270 9 1 10 0 水 275 伴 尤温 度 ； 305 275 10．0 530土5 C 280 25O 8 9 保 温时 间 聚合物淬 6 28j 220 10 3 火剂旅度 35rain 22 280 水}争 8 220 2 10．9 人 工时藏 9 4 聚合括谇 02 i77土5℃， 火荆浓度 26 27j 10．3 9h 04 9 1 5 结论 (】)聚合物淬火荆 251就其硬度、导 电率、机械性 能与水 淬 比较无差别，均处于同一水平 ； (2)LY12合金水淬及用 22 浓度和 26 浓度的聚合物 肄火剂 ，均未发现晶间腐蚀倾向 ； (3)聚合物淬火剂 251可以代替 6081喷雾淬火使用。 6 建议 (1)儿近代飞机破坏事故分析 ，应力腐蚀的破坏占了很大 比例 ．而近代飞机中卫广泛采用大型铝台金厚板及变截面板 材 ，那么对大尺寸板材热处理如何保证其变形最小 减少热 处理 后的校形，减少其残亲应 力以避免应力腐蚀也是当前热 处理 工艺中尖锐问题。因此 ，铝合叠热处理要求无变形或微变 形就必然地会采用聚合物淬火剂。 (2)聚合物淬火剂通过改变与水溶解 的浓度 可调节其玲 却速度 ，从而满足各种材料和工艺的需求 这是水或其它淬火 剂无可 比拟的 从 6061喷雾淬火要求看 ，唯有聚合物淬火剂 可以替代，而要单独配置喷雾淬火 则成本就更高 了 (3)聚合物淬火刺本身成本 是高的 ，尤其与水相 比，但在 分析聚合物淬火剂时，应考虑 由于淬火减少变形而省去的校 正工时成本．另外也应考虑 由于淬火的低应力而使热处理零 件品质提高带来的益处。因此 ，综合的比较分析，成本是不会 提高的 ，波音公司的使坩实例姚说明了这一点 (4)国内航空工业已有 厂进行了这方面试验 。为了推广 和发展聚合物淬火剂的使用．建议在航标“变形 铝合金处理 说明书的补充和修改时，碰将聚合物淬火剂纳入热处理说明 书中去 同时，应继续开展聚台物淬火剂配套制度如删浓度的 方法和指标、周期、适用范匝、聚合物的技术条件等研究工作 。 (5)当前国内航空工业许多工厂进行技术改造时 ，在飞机 主机厂配置了空气循环炉 ．魁此在新增设备的同时，应该考虑 聚合物淬火剂 的应用 ，为它创造一十 良好的外部条件 = 当然必须强调的是聚合物淬火剂是一种较为简单的工艺 方法，不是什么材料、什么场合都能使用 ，要 好这一工艺还 是应针对产品、车间的实际情况 ，但不可否认聚台物淬火剂的 应用使铝合金的热处理水平提高到一十新的阶段。 0 (上接第 27页) 5 结束语 参考文献 (略) 激光技术的出现给钣金加工带来了革命，激光切割和激 光成形使钣金加工实现无模化，太大地降低了成本，缩短了生 产准备周期 。更重要的是 ，激光加工的质量和精确度较高、 少了零件的整修工作量，具有广泛的应用嵛景 参考文献 I 唐荣锡等．飞机钣垒工艺．国防工业出版杜 ，1983 2 李建锋等．国外钣金柔性制造系统的发展 要拽惦的对策 一舫 空情报]，中国航空信息中心 1992 3 American Machinist．1992．j～ 9 ‘ 4 M etal Forming．1992，5 1994年第 5期 维普资讯 http://www.cqvip.com