多级余热淬火系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多级余热淬火系统，特别是一种能弱化挤压型材淬火残余应力的在线多级余热淬火系统，属于金属高温形变热处理领域。该系统包括放置在挤压机出口前方具有喷淋功能的导路，导路依次由喷气导路和喷水导路组成，或者依次由喷气导路、喷雾导路和喷水导路组成。本发明在保证时效强化效果的基础上，弱化了挤压型材淬火残余应力，避免心部开裂并降低预拉伸难度，实现最终产品的形状和尺寸稳定性。
【专利说明】多级余热淬火系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多级余热淬火系统，具体为一种能有效弱化挤压型材淬火残余应力的在线多级余热淬火系统，具体而言，涉及挤压机用导路的设计，属于金属高温形变热处理领域。
【背景技术】
[0002]余热淬火是指利用冷却介质将刚刚经过热变形的高温金属材料迅速地冷却到较低温度。在线余热淬火被广泛用于具有沉淀强化能力金属的热挤压生产中，它具有如下优点:(1)将热变形和淬火一次完成，淬火后的型材可直接进行人工时效，从而省去了固溶处理环节，从而有效地节约了能源；(2)能够有效保留变形态组织中的高密度位错，增加了沉淀相的形核位置，有利于提升后续人工时效时的沉淀强化的效果；(3)防止粗大的高温沉淀相在缓慢冷却过程中析出，从而确保合金元素具有较高的过饱和度，同样有利于提升沉淀强化效果；(4)防止细小变形晶粒的长大。
[0003]对于热挤压而言，在线余热淬火通常由放置在挤压机出口前方具有喷淋功能的导路来实现，冷却介质常选用高压工业用水，冷却方式为射流形式，冷却时间由射流强度、射流段的长度和挤压型材的前进速度共同决定。型材出模口后立即进入喷淋导路，密集排布的高压射流让高温型材迅速冷却，为后续人工时效做好准备。然而，对于导热率较低的金属，上述在线余热淬火会导致挤压型材具有很强的淬火残余应力，这是因为:当高温型材迅速冷却到很低温度时，表层和心部存在很大的温差，造成两者在冷缩量和冷缩速度上存在巨大差别，心部的收缩量大于表层，最终导致心部承受拉伸残余应力，表层承受压缩残余应力。残余应力的危害很大，它能造成型材心部开裂，同时缩短零件的使用寿命并降低其的耐蚀性，更严重的是，会使型材的形状尺寸发生变化，因为残余应力在型材内部是相互平衡的，即表层和心部存在着符号相反的弹性变形和晶格畸变，当平衡受到破坏后，例如:对型材进行机械加工或者型材经受打击、振动和热处理后，会引起形状的扭曲，另外，当残余应力经过相当长的时间逐渐消除后，也会造成尺寸和形状的变化。通常采用预拉伸方法来消除挤压型材的残余应力，残余应力越大，所需的拉伸量就越大，从而发生拉断的几率就越大，一旦断裂，巨大的弹性储能会将本来平直的部分折弯，带来更大的浪费。因此，必须对传统的在线余热淬火系统进行改进，来弱化淬火残余应力，降低后续预拉伸的难度。 申请人:的前期实验发现:喷水速度和水温对残余应力有重要影响，如图1-1所示，残余应力的大小用残余挠度来表征，随着喷水速度的增加，残余挠度增加；如图1-2所示，随着水温的增加，残余挠度降低。因此，本发明设法从改变冷却强度角度来弱化残余应力，同时最大限度地保证余热淬火效果。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种多级在线余热淬火导路的设计方法，以达到如下目的:在保证时效强化效果的基础上，弱化挤压型材淬火残余应力，避免心部开裂并降低预拉伸难度，实现最终产品的形状和尺寸稳定性。
[0005]一种多级余热淬火系统，特别是一种能弱化挤压型材淬火残余应力的在线多级余热淬火系统，包括放置在挤压机出口前方具有喷淋功能的导路，所述的导路依次由喷气导路和喷水导路组成，或者依次由喷气导路、喷雾导路和喷水导路组成。
[0006]挤压型材依次通过喷气导路、喷雾导路和喷水导路，所述的喷气导路、喷雾导路和喷水导路各自独立制作，或整合为一体，或两两合并。
[0007]所述的挤压机的模座上依次放置前环、中环和后环，模具和模垫位于前环中，模具、模垫、中环和后环的内孔尺寸依次增大。
[0008]所述的喷气导路尽量靠近模具，所述的喷气导路放置在中环和后环的内孔中，喷气导路前沿抵住模垫或模具，如图2所示。
[0009]所述的喷气导路中，冷却介质为高压气体，喷气方向与型材前进方向的夹角Θ ( 90°，如图3所示。
[0010]所述的喷雾导路中，冷却介质为水雾，由高压气体和高压水形成；所述的喷雾导路的喷嘴具有造雾功能。
[0011]所述的喷水导路中，冷却介质为高压水，冷却方式为射流形式。
[0012]三个导路各自喷射段的长度根据挤压机结构、型材的截面形状和总面积，型材的热导率等因素综合考虑。三个导路的冷却时间由喷射强度、喷射段的长度和挤压型材的前进速度共同决定。
[0013]本发明涉及的在线多级余热淬火导路的优点:
[0014]1、冷却强度逐级递进:让挤压型材依次通过喷气导路、喷雾导路和喷水导路，其中的喷雾导路可舍去。三个导路可以独立制作，也可以整合为一体，或两两合并。三个导路各自的长度要根据挤压机结构、型材的截面形状和总面积，型材的热导率等因素综合考虑。型材的热导率越大、截面尺寸越大，要增加喷气或喷雾导路的长度。
[0015]2、喷气导路:喷气导路要尽量靠近模具，对于通常的挤压机，模座上依次放置前环、中环和后环，模具和模垫位于前环中，对于“模具一模垫一中环一后环”这个序列，它们的内孔尺寸是逐级放大的，喷气导路可以直接放置在中环和后环的内孔中，导路前沿直接抵住模垫(或模具)。冷却介质为高压气体，喷气方向与型材前进方向的夹角Θ <90°，这样做即可以防止气体将模具吹凉又可以利用气幕阻隔水汽或水流。
[0016]3、喷雾导路:冷却介质为水雾，水雾通过如下方法实现:在一个空腔内同时通入高压气体和高压水，且喷嘴具有造雾功能。
[0017]本发明在保证时效强化效果的基础上，弱化了挤压型材淬火残余应力，避免心部开裂并降低预拉伸难度，实现最终产品的形状和尺寸稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1-1和图1-2分别为喷水速度和水温对残余应力的影响。
[0019]图2为优选的喷气导路位置。
[0020]图3为喷气方向与型材前进方向之间的关系。
[0021]图4为在线多级余热淬火系统构造示意图。
[0022]图5为多级余热淬火导路构造示意图。
[0023]图6-1和图6-2分别为采用单一水冷余热淬火导路及采用多级余热淬火导路的镁合金方棒的截面图。
[0024]主要附图标记说明:
[0025]1 前环2中环
[0026]3 后环4模具
[0027]5 模垫6喷气导路
[0028]7 喷雾导路8喷水导路
[0029]9 喷气孔10后导路
[0030]11 多级余热淬火导路
【具体实施方式】
[0031]如图2所示，通常的挤压机的模座上依次放置前环1、中环2和后环3，模具4和模垫5位于前环I中，模具4、模垫5、中环2和后环3的内孔尺寸依次增大。本发明的喷气导路6应尽量靠近模具4，优选的喷气导路6放置在中环2和后环3的内孔中，喷气导路6前沿抵住模垫5或模具4。
[0032]如图3所示，在喷气导路6中，冷却介质为高压气体，喷气方向与型材前进方向的夹角Θ <90°，可以防止气体将模具吹凉又可以利用气幕阻隔水汽或水流。
[0033]在喷雾导路和喷水导路中，喷雾或喷水方向与型材前进方向的夹角Θ可为90°，如图4和图5所示。
[0034]实施例1:
[0035]EW75 (Mg-7wt.% Gd_5wt.% Y_l.5wt.% Nd_0.5wt.% Zr)高强耐热续合金是一种低导热率合金，导热率仅为35W/ (m -K),在用热挤压法生产300mmX 25mm EW75板材过程中，早期使用的在线余热淬火导路只是单纯的喷水导路，喷水长度为1000mm，高压水柱喷射板材的上下两面。为消除淬火残余应力同时矫正板型，采用预拉伸方法，板材的长度为8~10米。经实验测定，对于采用单一水冷的板材，预拉伸量达到2%后，板材内部的残余应力才能得以消除。然而，2%的拉伸量极易导致板材被拉断，实际的拉伸量小于1.5%，这是因为板材的淬火残余应力较大，心部具有较大的拉应力，在与外加拉伸力叠加后，很容易导致板材断裂，断裂瞬间的弹性储能会将平直部分严重折弯，这就造成残余应力的消除不彻底，后续机械加工时板材仍会轻微翘曲。
[0036]基于上述问题，开发了 “在线多级余热淬火系统”，增加了喷气导路6和喷雾导路7，如图4所示。喷气导路6独立制作，为了最大限度地靠近模具，将其放置在中环2和后环3的内孔中，导路前沿直抵模垫5，如图2所示。喷雾导路6和喷水导路7合并在一起，构成后导路10。喷气导路6长度300mm，喷雾导路7长度500mm，喷水导路8长度1000mm。喷气导路6中，冷却介质为高压气体，喷气孔9的喷气方向与型材前进方向的夹角Θ <90°。喷雾导路7中，喷嘴具有造雾功能，冷却介质为水雾，在空腔内同时通入高压气体和高压水，通过喷嘴形成水雾。喷水导路8中，冷却介质为高压水，冷却方式为射流形式。三个导路的气体、水雾和水均喷射在板材的上下两面。
[0037]板材经“多级余热淬火系统”冷却后，显著降低了淬火残余应力，拉伸量达到2%时，断裂的几率大幅降低，并能保证板材在后续机械加工时不变形。
[0038]实施例2:
[0039]在用挤压法生产大截面EW75镁合金方棒过程中，早期采用单一水冷余热淬火导路，喷水段长度5米，导路内孔为圆形，实现360°喷射。然而，在后续定尺锯切时发现:整根排材的心部存在裂纹，这是心部拉伸残余应力过大造成的，如图6-1所示。
[0040]本发明采用“在线多级余热淬火系统”，增加了喷气和喷雾。多级余热淬火导路11由喷气导路6、喷雾导路7和喷水导路8组成，图5为其结构示意图，喷气段长度2米，喷雾段长度2米，喷水段长度3米，三段合为一个整体，导路内孔仍为圆形。喷气导路6中，冷却介质为高压气体，喷气孔9的喷气方向与型材前进方向的夹角Θ <90°。喷雾导路7中，喷嘴具有造雾功能，冷却介质为水雾，在空腔内同时通入高压气体和高压水，通过喷嘴形成水雾。喷水导路8中，冷却介质为高压水，冷却方式为射流形式。
[0041]采用多级余热淬火导路的镁合金方棒的截面图，如图6-2所示。采用多级余热淬火导路后，淬火残余应力大幅下降，方棒心部开裂得以避免。由此可见，采用多级余热淬火系统可以有效避免大截面镁合金方棒开裂。
【权利要求】
1.一种多级余热淬火系统，包括放置在挤压机出口前方具有喷淋功能的导路，其特征在于:所述的导路依次由喷气导路和喷水导路组成，或者依次由喷气导路、喷雾导路和喷水导路组成。
2.根据权利要求1所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的喷气导路、喷雾导路和喷水导路各自独立制作，或整合为一体，或两两合并。
3.根据权利要求1所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的挤压机的模座上依次放置前环、中环和后环，模具和模垫位于前环中，模具、模垫、中环和后环的内孔尺寸依次增大。
4.根据权利要求3所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的喷气导路放置在中环和后环的内孔中，所述的喷气导路前沿抵住模垫或模具。
5.根据权利要求4所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的喷气导路中，冷却介质为高压气体，喷气方向与型材前进方向的夹角Θ <90°。
6.根据权利要求1所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的喷雾导路中，冷却介质为水雾，由高压气体和高压水形成。
7.根据权利要求6所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的喷雾导路的喷嘴具有造雾功能。
8.根据权利要求1所述的多级余热淬火系统，其特征在于:所述的喷水导路中，冷却介质为高压水，冷却方式为射流形式。
【文档编号】C21D8/00GK104073608SQ201410332457
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】张奎, 李兴刚, 李永军, 石国梁, 马鸣龙, 袁家伟 申请人:北京有色金属研究总院