郝延平(沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

·氣瓶檢驗·

淺析鋁合金無縫氣瓶的硬度試驗

郝延平
(沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

通過對鋁合金無縫氣瓶材料性能和熱處理機(jī)理的分析，解釋了鋁合金無縫氣瓶材料硬度下降的原因，說明了硬度試驗在鋁合金無縫氣瓶制造和定期檢驗過程中的重要作用。

鋁合金無縫氣瓶；硬度試驗；熱處理

鋁合金無縫氣瓶具有優(yōu)良的低溫沖擊性能，重量較輕，耐腐蝕性好等特點，主要用來充裝標(biāo)準(zhǔn)氣體、標(biāo)準(zhǔn)混合氣體、特種混合氣體、超純氣體、氧氣以及二氧化碳等氣體，并且可用于煤氣、一氧化碳?xì)怏w的充裝。鋁合金無縫氣瓶已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療、潛水、化工、冶金、礦山等領(lǐng)域。

由于鋁合金材料的特性，無論在鋁合金無縫氣瓶的制造過程中還是在定期檢驗過程中，硬度試驗都有非常重要的作用。

1 鋁合金無縫氣瓶硬度試驗的目的

硬度是材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓入或刻劃的能力。它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。由于硬度試驗設(shè)備簡單、操作方便，能敏感地反映出材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)的差異，因而被廣泛用來檢查熱處理工藝質(zhì)量或研究熱處理相變過程。

由于硬度試驗一般僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，通常視為無損檢測，因而對大多數(shù)機(jī)件可用成品試驗而無需專門加工試樣。

金屬的硬度與強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)之間雖無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，但可根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)找出粗略的換算關(guān)系，從而可按硬度試驗結(jié)果大體上估計金屬靜強(qiáng)度及其它性能的數(shù)值。

根據(jù)GB 11640—2011《鋁合金無縫氣瓶》的要求，鋁合金無縫氣瓶在固溶處理和人工時效處理之后，應(yīng)逐只進(jìn)行室溫硬度試驗，以確定每批鋁合金無縫氣瓶熱處理的穩(wěn)定性和每只鋁合金無縫氣瓶熱處理的均勻性。試驗方法應(yīng)符合GB/T 230.1《金屬材料 洛氏硬度試驗》和GB/T 231.1《金屬材料 布氏硬度試驗》的規(guī)定。

2 鋁合金無縫氣瓶的材料

鋁合金無縫氣瓶瓶體的材料一般選用6061鋁合金，這個牌號材料屬于Al-Mg-Si系鍛用鋁合金，具有良好的冷、熱加工、耐蝕、低溫、疲勞等性能。Al-Mg-Si系合金是在熱處理強(qiáng)化型鋁合金中唯一沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)現(xiàn)象的合金，有中等強(qiáng)度和優(yōu)良的耐蝕性能，有明顯的時效強(qiáng)化效應(yīng)。

Al-Mg-Si合金可進(jìn)行自然時效或人工時效，但因自然時效速度較慢，而且強(qiáng)化效果不如人工時效，故Al-Mg-Si合金一般在人工時效狀態(tài)下使用。由于Mg2Si含量大于0.9%的Al-Mg-Si合金存在停放效應(yīng)，即淬火后在室溫停放一段時間再進(jìn)行人工時效處理時，將使合金的時效強(qiáng)化效應(yīng)降低。對這種現(xiàn)象的一種解釋是Al-Mg-Si系合金中Mg在鋁中的溶解度遠(yuǎn)大于硅。在室溫停留期間，過剩硅將首先形成偏聚，而鎂、硅原子的G.P.區(qū)是在硅核上形成的。如果停放時間短，則只產(chǎn)生硅的偏聚，大部分溶質(zhì)原子仍保留在固溶體內(nèi)，隨后進(jìn)行人工時效，鎂和硅原子繼續(xù)向硅的偏聚團(tuán)上遷移，形成大量穩(wěn)定晶核并繼續(xù)長大；如果在室溫停留時間過長，合金內(nèi)形成大量偏聚，因而固溶體中溶質(zhì)元素濃度大大降低。這樣，當(dāng)溫度一旦升高到人工時效溫度，那些小于臨界尺寸的G.P.區(qū)將重新溶入固溶體，致使穩(wěn)定的晶核數(shù)目減少，從而形成粗大的過渡相。因此，當(dāng)采用人工時效工藝時，應(yīng)注意熱處理工序之間的協(xié)調(diào)。

3 鋁合金無縫氣瓶的熱處理分析

鋁合金無縫氣瓶一般采用固溶處理(或稱淬火)及人工時效強(qiáng)化處理，目的是借助時效硬化以提高鋁合金的強(qiáng)度性能。

在固溶處理時，為保證強(qiáng)化相充分固溶，加熱溫度應(yīng)超過固溶度線。溫度愈高，固溶愈快，也愈完全，時效強(qiáng)化效果也更顯著。但不應(yīng)高于固相線，否則合金將發(fā)生局部溶化，即造成過燒，這將嚴(yán)重降低合金的性能。另外，固溶處理加熱也要注意防止晶粒過分長大。因此，鋁合金的固溶處理加熱溫度很窄，溫度控制要求很嚴(yán)，一般固溶處理溫度應(yīng)控制在515～550℃，保溫時間1.5～2 h。

固溶處理介質(zhì)一般用水，以保證快速冷卻。固溶處理水溫一般低于30℃。

固溶處理后接著進(jìn)行人工時效，由于Al-Mg-Si系鋁合金存在停放效應(yīng)，因此，固溶處理后應(yīng)盡快進(jìn)行人工時效處理，其間隔時間不得超過2 h。人工時效溫度一般在160～180℃，保溫時間10～12 h。

4 鋁合金無縫氣瓶材料硬度下降的原因分析

材料硬度下降是鋁合金時效的強(qiáng)度變化問題，原因如下：

鋁合金中加入的其他金屬元素，例如Cu、Mg、Si等會在合金中形成第二相組織。經(jīng)過人們的大量實踐，當(dāng)這些組織顆粒在合金中越細(xì)小、越彌散分布，越會導(dǎo)致鋁合金強(qiáng)度升高，因此，鋁合金都使用固溶+時效的熱處理工藝，保證材料強(qiáng)度達(dá)到一定水平。

圖1 固溶處理與時效處理的工藝過程示意圖

其原理是通過高溫將第二相溶解，然后在高于室溫或室溫下彌散第二相析出。室溫下的時效稱為“自然時效”，高于室溫的時效稱為“人工時效”。

圖2 冷時效和溫時效過程硬度變化示意圖

人工時效的材料強(qiáng)度變化曲線是一個單峰曲線。當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到最大之后開始下降，并伴隨著塑性降低，因此在工藝中應(yīng)嚴(yán)格控制不能產(chǎn)生過時效的情況。但實際執(zhí)行工藝中會發(fā)生如下問題：

1. 熱處理工藝中并未過時效，也就是說，時效的時間未超過A點。但熱處理后的工件還有后續(xù)的工藝過程涉及到“溫度”效應(yīng)。如烤漆工藝、部分需要加熱的表面氧化工藝、纏繞固化工藝、甚至某些檢測過程。

2. 產(chǎn)品出廠后，長期置于高于室溫的環(huán)境中，特別是當(dāng)產(chǎn)品本身已經(jīng)過時效處理(強(qiáng)度出廠時是合格的)，強(qiáng)度也會發(fā)生下降。

過時效概念：在一定溫度下，隨時效時間延長，合金強(qiáng)度、硬度逐漸增高。至一定時間，其強(qiáng)度、硬度達(dá)到最大值(峰值)。時效時間再延長則其強(qiáng)度、硬度反而下降，此即所謂的“過時效”。

5 結(jié)束語

由于制造鋁合金無縫氣瓶材料固溶處理的加熱溫度范圍很窄，而且存在停放效應(yīng)，因此對熱處理控制要求很高。通過分析硬度試驗的數(shù)據(jù)，可以便捷的得到鋁合金無縫氣瓶熱處理結(jié)果，從而確定鋁合金無縫氣瓶的安全性能；在鋁合金無縫氣瓶的定期檢驗中也可以通過硬度試驗數(shù)據(jù)分析，確定氣瓶是否可以繼續(xù)安全使用。

[1] TSG R 0006—2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2] GB 11640—2011 鋁合金無縫氣瓶[S].

[3] GB 13077—2004 鋁合金無縫氣瓶定期檢驗與評定[S].

[4] 氣瓶檢驗員培訓(xùn)教材[Z]. 中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會.

Primary Discussion about Hardness Testing for Seamless Aluminum Alloy Gas Cylinders

HAO Yanping

(Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035, China)

The author conducts general evaluation and analysis of aluminum alloy properties for seamless gas cylinder. The author also gives clear explanation to how the heat treatment works. The author would like to demonstrate that performing hardness testing during production of seamless aluminum alloy gas cylinders or during periodic inspection is very important step as result of fall in hardness value.

seamless aluminum alloy gas cylinders； hardness testing; heat treatment

2016-11-30

TH49

A

1007-7804(2016)06-0041-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.012

郝延平(1966)，男，高級工程師，現(xiàn)就職于沈陽特種設(shè)備檢測研究院。E-mail:haoyanpng@126.com。