BW水基淬火液在铝合金钣金件淬火中应用

BW水基淬火液在铝合金钣金件淬火中应用绳小龙(郑州飞机装备有限责任公司河南郑州450005）摘要：对不同浓度BW水基淬火液的冷却特性进行了评价，研究了铝合金钣金件分别采用不同浓度的BW水基淬火液、水进行淬火并时效后的组织和性能。研究结果表明，BW水基淬火液的冷却速度介于水-油之间，且可通过调整溶液浓度获得所需的冷却速度；BW水基淬火液能够有效降低铝合金钣金淬火变形，减少校正工时，具有良好的社会效益和经济效益；通过试验可以确定，一定浓度的BW水基淬火液能够满足铝合金钣金件热处理材料和制品的力学性能、显微组织要求。关键词：BW水基淬火液；铝合金钣金件淬火；组织和性能中图分类号：TG166.3文献标志码：A文章编号：UseofBWAqueousPolymerQuenchantsforHardeningofAluminiumalloySheetMetalSHENGXiaolong(AVICZhengzhouAircraftEquimentCO..LTD;ZhengzhouHenan450005,China)Abstract:ThecoolingpropertiesofdifferentconcentrationBWwereevaluated.MicrostructureandmechanicalpropertiesofaluminumsheetmetalwhichwerequenchedbydifferentconcentrationBWandwaterwerestudied.TheresultsshowthatthecoolingratewhichcanbeadjustedofBWisbetweenwaterandoil。UseofBWforhardeningaluminumsheetmetalwhichcanreducequenchdistortioneffectivelytosaveman-hourissufficienttomeetrequirementsformicrostructureandmechanicalproperties。Keywords:BWaqueouspolymermedium;HardeningofAluminiumalloySheetMetal；structureandproperties引言:水是铝合金淬火常用的一种淬火介质，但水存在淬火烈度高、冷却速度快、膜状沸腾阶段过长、浸湿速度低、且不易控制的缺点[1]。高精密加工的机加件以及薄壁铝合金钣金件使用水淬火时，零件淬火变形严重，后续校正难度很大，甚至难以校正，零件超差而报废，造成巨大的经济损失，同时严重影响产品研制进度[2]。BW水基淬火液是一种聚合物淬火介质，主要由高分子聚合物，杀菌剂、活化剂及水构成。为粘性无毒的绿色溶液，不含亚硝酸盐类或其他任何有害物质，与水无限溶解。通过调整溶液浓度实现冷却速度可控，可调。作者简介：绳小龙(1977.12-)，男，工程师，主要从事航空结构材料热处理的研究与应用，联系电话：[phone]，(E-mail)：[e-mail]水基淬火液的基本特性1.1浊点及逆溶性BW水基淬火液为可逆溶性聚合物淬火介质，浊点温度70℃，PH值（5%/20℃）8.8～9.2。1.2冷却特性一定浓度的BW水基淬火溶液冷却炽热金属时，金属表面溶液浓度很快达到逆溶点，聚合物析出，粘附在金属表面，形成一层聚合物隔离膜。隔离膜导热性差，并具有隔热作用，从而降低了冷却速度，改善了冷却特性。通过改变溶液浓度、温度、搅拌速度，实现淬火冷却速度可调，获得水-油之间的冷却速度。工件选用合适的溶液浓度进行淬火，既可以获得满意的力学性能，也可以使工件变形降至最低。图1为水及两种不同浓度BW水基淬火液的冷却特性曲线，采用IVF仪进行测定，探头初始温度为850℃。从图中可以看出冷却速度曲线呈“C”形，在冷却初始阶段，BW水基淬火液析出的聚合物很少，探头表面的聚合物隔离膜还没有形成，此时水基淬火液的冷却速度与水相差不大。随着BW水基淬火液中聚合物逐渐析出，探头表面隔离膜开始形成。溶液浓度越高，隔离膜厚度越厚，冷却速度越慢，此时，V25%＜V18%＜V水。在冷却的末段，低温阶段的冷却速度小，主要是由于低于逆溶点温度，探头表面隔离膜不能向介质逆溶完，隔离膜的隔热效果一直维持，同时溶液中的聚合物在低温阶段，运动缓慢，流动性差，对流热传导效果差[3]。低温阶段冷速慢，能够有效减少组织应力，降低淬火应力。2、工艺试验2.1试验材料2A12退火状态板材，板材厚度δ0.8、1.2、2.5、4mm4种，化学成分见表1表12A12板材化学成分(%)SiFeCuMnMgZnNiTi0.50.53.8～4.90.3～0.91.2～1.80.30.10.152.2BW水基淬火液配制BW淬火原液与水配制成18%及25%两种浓度，采用WYI-Ⅲ手持折光仪进行测定和调整。2.3试验方法按GB6397-86规定加工的机械性能试样依据GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》在CMT5504万能试验机进行拉伸试验；按HB5201《变形铝合金过烧金相检验标准》进行金相组织检测；按HB5255《铝合金晶间腐蚀及晶间腐蚀倾向的测定》选用机械性能试验中σ0.2低试样进行晶间腐蚀检测[4]；变形试验对比试样选用δ0.8×300×300mm方形、δ0.8×100×300mm长条形两种试样进行最大变形量检测。3试验结果与分析3.1力学性能2A12不同厚度试样在25%、18%两种浓度的BW水基淬火液和水中淬火时效后，其力学性能如表2所示表22A12试样采用不同淬火介质淬火、时效后的力学性能介质σb（MPa）σ0.2（MPa）δ10（%）0.81.82.540.81.82.540.81.82.5418%BW淬火液4254554454652652702702751919201925%BW淬火液4354654454702752852802752020212020℃水44046044045027527027027017191920从表2中可以看出0.8mm厚规格试样采用25%、18%浓度BW淬火液淬火并时效后，σb值比同厚度试样采用水淬火并时效略低，其余厚度试样采用BW淬火液和水淬火并时效后的力学性能无明显差别，处于同一水平，均符合材料性能要求。3.2、晶间腐蚀试验选用0.8mm厚度采用18%BW聚合物淬火液淬火并时效后σ0.2最低的试片，切取试片，经打磨，抛光，浸入在100ml蒸馏水加2ml的HCL及3g的NaCL溶液中，溶液温度保持在35±1℃，腐蚀24h、48h、72h后用DMIRM金相显微镜（×200）下观察未发现晶间腐蚀。3.3、金相组织不同厚度金相组织试样，经磨制、抛光后采用氢氟酸溶液（0.5%HF+99.5%H2O）浸蚀后，用DMIRM金相显微镜（×500）观察未发现过烧金相组织。3.4、残液对表面处理的影响试样采用BW水基淬火液淬火后，试样表面会有部分残液，经热水及弱酸清洗后，经试验验证未发现对后续的阳极化和喷漆处理造成影响。3.5、变形对比试样采用25%、18%浓度BW水基淬火液和水淬火后变形情况见图2、图3图2、δ0.8×300×300mm2A12试样采用不同淬火介质淬火后变形对比图3、δ8×100×300mm2A12试样采用不同淬火介质淬火后变形对比试样越薄，零件淬火变形越大。因此选用厚度为0.8mm试样，分长条形和正方形两种形状，采用25%、18%浓度两种浓度的BW水基淬火液和水进行淬火后变形对比。从图2、图3中可以看出正方形试样采用水淬火后变形量最大，测定达46mm，采用18%浓度BW水基淬火液淬火后最大变形量为12mm，采用25%浓度BW水基淬火液淬火后最大变形量为7mm。长方形试样采用水淬火后变形严重，除有翘曲外还有扭曲，其最大变形量达19mm，采用18%浓度BW水基淬火液淬火后最大变形量为6mm，采用25%浓度BW水基淬火液淬火后最大变形量为3mm。BW水基淬火液可有效降低淬火变形，试样采用BW水基淬火液淬火后与水相比，变形量减少80%～90%。同时，在保证力学性能及金相组织满足要求的前提下，BW水基淬火液浓度越高，试样淬火后变形越小。3.6生产应用部分2A12钣金零件采用BW水基淬火液淬火后变形情况见表3表3不同形状2A12钣金件采用不同淬火介质淬火后变形量工件形状淬火介质最大变形量（mm）校正情况水5靠模胎校正25%BW淬火液0.5～0.8不需校正水19靠模胎校正25%BW淬火液3校正水46靠模胎校正25%BW淬火液5校正水6靠模胎校正25%BW淬火液0.3～0.7不需校正统计结果表明，厚度＞2.5mm的2A12钣金件采用BW水基淬火液淬火后，变形量很小，基本不需校正，对于厚度＜2.5mm的2A12钣金件淬火BW水基淬火液淬火后，与水相比，可有效降低淬火变形。尤其是在大型复杂薄壁铝合金钣金件应用效果显著。4结语1）BW水基淬火液具有冷却速度可调的显著特点，获得水-油之间的冷却速度。2）铝合金钣金件采用BW水基淬火液淬火并时效后获得的力学性能与试样采用水淬火时效后获得的力学性能相比，处于同一水平。BW水基淬火液能够满足铝合金材料和制品的淬火性能要求。3）采用25%和18%两种浓度BW水基淬火液淬火的铝合金试样未发现晶间腐蚀现象及过烧组织，满足铝合金材料和制品的组织要求。4）BW水基淬火液可显著铝合金钣金件的淬火变形，与水相比，淬火变形降低80%～90%。在保证零件力学性能前提下，BW水基淬火液浓度越高，降低淬火变形效果越好。部分铝合金钣金件采用BW水基淬火液淬火后，基本不需校正，可有效降低生产成本，缩短产品研制周期，尤其是在解决大型复杂薄壁铝合金钣金件的淬火效果明显，具有良好的经济效益和社会效益。5）BW水基淬火液具有降低淬火变形效果显著的特点，与水相比，存在着一次性投入大，使用维护、检测复杂，废液处理难等缺点。因此在生产应用过程中，应根据实际情况建立完善的检测、维护体系。参考文献[1]热处理手册编委会，热处理手册（第3版）：第1卷第3张，北京：机械工业出版社，2001,P131[2]胥维勋铝合金淬火工艺与残余淬火应力[J]航天工艺，1989,（8）：12-15[3]王于林，王孝军，范勇强PQA新型聚合物淬火剂在铝合金淬火中的应用[J]材料热处理技术2009,38（4）：150-151[4]吴瑞豪，冯敏B-757飞机铝合金零件聚合物淬火[J]金属热处理2001(1):48-50