[发明专利]一种铝合金筒形件喷淋淬火设备及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种淬火设备，特别是涉及一种铝合金构件喷淋淬火设备，本发明还涉及该铝合金构件喷淋淬火设备的使用方法。

背景技术

密度小、比强度高、耐腐蚀强，能热处理强化的铝合金筒形件广泛应用于航空航天领域，其材料及形状多样，轴向高度通常较高。形状主要分为锥形及直筒形，壁厚分为等壁厚及变壁厚，直径跨度大从0.5-10m。为提高产品综合性能，如强度、韧性、抗蚀性及耐疲劳特性等，需固溶、淬火处理。但淬火过程易产生过大残余应力及非均匀分布的残余应力和性能，导致构件尺寸稳定性差、后续机加工变形严重、材料使役性能降低、疲劳寿命下降等问题。残余应力过大所引起的大变形常成为新型零件设计制造需解决难题，其问题的严重性随产品尺度的增加及形状的复杂化而加剧。

残余应力是由于淬火过程中不均匀温度场所引起，随冷却速率增大而增大，而铝合金材料性能主要决定于淬火温度敏感区的冷却速率。基于此特性，分级淬火工艺成为铝合金残余应力与性能协同制造的有力手段。然而目前，铝合金筒形件通常采用浸没淬火方式，当筒形件经加热炉固溶保温后，快速放入水槽中进行浸没淬火，其中加热炉与水槽布置方式有水平及并排两种。当前筒形件淬火主要存在如下问题：浸没冷却速率有限、调整因难，难适应不同厚度筒形件对冷却速率的不同要求，很难实施分级淬火工艺以平衡残余应力与性能；浸没淬火筒形件入水有先后，使得筒形件不同部位冷却速率不一致，易致构件性能不均、变形不协调，对于构件浸没入水方向尺寸较大者影响尤为明显；对于尺寸较小的锥体筒形件，其形状特征使得筒形件内外、上下淬火介质温度及流动特性差异增大，导致筒形件不同部分所接触的淬火介质冷却能力差异更加明显，加剧了冷却的不均匀性，增加了温度梯度；对于轴向厚度不均匀的筒形件，其非均匀厚度使得筒形件在轴向的冷却速率差异增大，温度梯度增加，轴向高度性能及残余应力变化大；高的温度梯度及不均匀冷却易导致筒形件残余应力大，性能与残余应力分布不均；特别一提的是，固溶加热炉与水槽水平布置时，往往使得筒形件淬火转移时间较长，而铝合金通常要求淬火转移时间小于10秒。

喷淋淬火是把冷却介质加压从喷嘴喷出用以冷却构件，较浸没淬火，具有冷却速率高、冷却强度能控性强的特点，可实现同步、分区、分级的淬火工艺，实现构件的低残余应力与高性能协同制造。目前喷淋淬火工艺在钢及铝合金板型材淬火处理上得到较广泛应用，然而在构件上应用较小，少见在筒形件及回转体上运用。据查，能适用于筒形件的喷淋淬火装置，公开有5个中国专利文献。文献1专利号98227376.2，文献2专利号CM20114258，文献3专利申请公布号CN 101701329，文献4专利号201410637230.9，文献5专利申请号201410768015.2。

文献1所述淬火装置提出了用喷淋方式对一种环形件进行淬火，淬火时，工件旋转以提高喷淋均匀性。但因存在如下不足不能推广至筒形件的喷淋淬火处理：根据其描述，推断淬火炉与加热炉为水平布置，加热炉、淬火炉二者所占地面空间大，随着筒形件外径尺寸增大，转移路程增加明显，淬火转移时间长，难满足技术要求，当处理大直径筒形件时，转移时间及占地面积大的问题将更加突出；未设置专门喷嘴冷却筒形件端面，忽视了端面冷却对构件影响，实际上随着构件尺寸厚度与高度之间比例的增加，这些影响不能忽视。

文献2针对棒材提出了一种立式喷淋淬火装置，加热炉与淬火炉成上下垂直布置，由单一筒形件运输系统在加热炉与淬火炉间转移工件，缩短了工件从加热炉至淬火炉转移时间，减少了设备整体占地面空间。但是，因存在如下不足不能满足铝合金筒形件喷淋淬火需要：这种结构决定了其工件、喷嘴只能静止，未采取措施消除喷嘴布置及喷嘴制造偏差对工件冷却均匀性的影响；未设置专门喷嘴冷却筒形件端面，忽视了端面冷却对构件影响，实际上随着构件尺寸的增加，这些影响不能忽视；喷嘴位置固定，不能根据回转体尺寸变化而快速改变，而喷嘴至冷却面的距离对冷却效果有明显影响；加热炉与喷淋淬火区位置固定，不利工业大批量生产需要。