中空壳体制造法
本发明涉及用7000系列铝合金制造压力容器用中空壳体的一种方法。本方法特别适用于生产高压气瓶。目前在高压气瓶制造厂家之间存在着用铝材、钢材和复合材料的竞争。
用以制造压缩气体容器装置的材料的基本要求包括:便于生产制造这种容器,具备足够的强度、延性、韧性、耐腐性,以及制成品的多种机械性能均能耐久。
过去,这些要求一直妨碍着峰值强度低于约450 MPa的铝合金用来制造商用气瓶。在七十年代初期曾尝试过超过这一强度水平,结果招致了不幸。当时有一只7000系列铝合金气瓶进入了市场,使用不久即出现危险应力腐蚀开裂,为避免最终发生灾难性损失而收回了全部气瓶。
美国4439246(Gerzat)号专利描述了用7475合金制造压缩气瓶的方法,它把合金坯在465℃下进行均匀化处理12小时,然后热挤压(或冷挤压)成形,颈缩,固溶退火并淬火,最后用二次回火T73型处理进行时效。
欧洲专利说明书257167(Gerzat)号报导,上述美国专利产品虽然在T73条件下有极高水平的断裂韧性、好的机械强度和有极好的抗应力腐蚀的能力,但在扩大试验后却发现它并不适用。据欧洲专利说明书称,这个问题由于后来采用了以下组成的合金而得以解决:6.25-8.0% Zn、1.2-2.2% Mg、1.7-2.8% Cu、0.15-0.28% Cr、Fe+Si最好<0.25%。这种组成的铸态坯经反向热挤压、拉延、颈缩,固溶热处理淬火,以及沉淀热处理至各种过时效状态。
压缩气瓶须有较高的强度-重量比,断裂最好限制在圆柱体部分而不扩展到或发生在底部或肩部。
本发明提供一种生产压力容器用的中空壳体的制造方法,包括提供下列成分(重量%)的合金坯:
Zn 5.0-7.0
Mg 1.5-3.0
Cu 1.0-2.7
再结晶抑制剂 0.05-0.4
Fe 最高达0.30
Si 最高达0.15
其他杂质 每种最高达0.05,总量最高达0.15
Al 余量
该合金坯中S相(S-phase)的体积含量低于1.0%,
将合金坯挤压,
将挤压体成形为所要求的中空壳体形状,并将其过时效。
更可取的合金组成如下:
Zn 5.0-7.0
Mg 1.5-2.5
Cu 1.8-2.2
Cr和/或Zr 0.10-0.25
Fe 最高达0.15
Si 最高达0.08
Zn的含量为5-7%。若Zn的含量过低,合金就会缺少允许过时效所需要的强度。Zn的含量过高,合金就难于用直接冷却铸造技术进行铸造,而且铸件产品是脆性的,难于经受为提高韧性而进行的时效处理。含Zn量高的合金要求较高的挤压压强,从而也提高了挤压机的价格和维护费用。
Mg与Zn组合起来可增加硬度。
Cu的含量为1.0-2.7%,最好是1.8-2.2%。用铜是为了经受得起过时效处理以获得抗应力腐蚀的性能。随着Cu含量增加,不希望有的(组成CuMgAl2)S相生成量也会增加,但这可用对铸锭进行均匀化来解决(下文将讨论这个问题)。
Cr和/或Zr是在固溶热处理时用作再结晶抑制剂。这一成分含量过高可能会损害断裂韧性。含有Cr的合金,比之同类含有Zr的合金,所要求的均匀化处理条件的控制可以不十分严格,而且所需的挤压压力可以较低,这可以减少润滑问题,因此是优先考虑的。含有作为再结晶抑制剂Cr的压力容器还有一个附加的优点,就是具有极好的抗持续载荷断裂的性能。其他过渡金属再结晶抑制剂,如Mn、V、Hf、Sc等是可以用的,但没有一种优选的代用品可以单独使用或互相搭配使用,或与Cr和/或Zr搭配使用。
在铝合金中通常都是含Fe和Si的,但它们是不希望有的,其含量须加控制。众所周知,合金中含有过多的Fe和Si会降低其韧性和抗腐蚀性。Fe有与Cu和Al结合沉淀的倾向,因此可减少S相的存在量。但是Fe支承的沉淀物在均匀化处理时不再溶,它们存在会降低断裂韧性。当Fe含量不大于0.10%时,得到具有极好的抗断裂和爆裂性能的气瓶。
其他公知成分,如B、可以以通常的量结合在合金中。(当许可时) B可用来控制氧化。Ti可作为晶粒细化剂而加入合金中,所含的量最好占最终产品的0.02-0.07%。除不可避免的杂质外,剩余部分就应该至少是商品纯的Al,当然最好是99.9%的高纯度Al。
在下面所说的本发明的生产工序中,铸锭的均匀化、挤压和最终时效是特别重要的。
含有所希望成分的合金,最好直接用冷铸法进行铸造,管喷射沉积法(WO 91/14011)适合于具有高溶质含量的合金。熔体在浇铸前可任选过滤和除气的工序。然后对铸坯进行消除应力和均匀化处理,必要时把S相的体积降到1.0%以下。喷射沉积的合金也可以不需要进行均匀化处理。
图1是通过压铸Al合金在460℃产生的相图的等温截面,该合金含有6%(重量)的Zn和不同的Cu和Mg。
在图1中方框1代表7075合金;方框2代表本发明的合金;方框3代表优选的本发明合金。图中左下角标有Al的相区表示基体以固溶形式含有Al和全部Zn、Cu和Mg的成分。标有AlS的区域表示在Al合金基体中含有(组成CuMgAl2)S相沉淀物。(见Met.Trans.,Vol 9a,Aug 1978,p1087-1100)。其他区域所包含的其他相在此不重要。三个标记方框的成分跨于Al/AlS的边界上,上述的Gerzat两项专利的成分也是同样的情况(为避免混淆,在图中未显示出来)。铸态金属中的元素偏析会导致在所有未经均匀化处理的合金中出现S相沉淀物。Zn含量较高(6%以上)时,有助于减少AlS区域,使S相的数量稍为降低。较高的温度(高于460℃)也会有助于减少AlS区域。
在均匀化处理中,过多的S相会溶解,但在均匀化温度低时,这是一个非常缓慢的过程。在475℃下经12小时,绝大多数S相就溶解了,但在较低的465℃温度下,经同样多时间后相当多的S相仍保持不溶解。均匀化的条件随坯块大小而定。这些数字涉及崐229mm直径的合金锭。比这大的坯块可能需要稍高一些的温度和/或保持较长的时间。在均匀化处理以后,已溶解的S相不会在空冷至室温过程中发生明显的再沉淀。
合金中存在S相会降低其断裂韧性。从7150合金板所取得的数据启示我们,样品含有0.25体积%的S相者,其平均断裂韧性为60MNm-3/2,而含有0.15体积%S相的样品,其平均平面应力(Kapp)断裂韧性则为75 MNm-3/2。
基于以上理由,本发明的一个关键性特点就是合金锭的S相体积百分数低,做到这一点的方法是例如在最少470℃温度下进行过均匀化处理,保持的时间足以使S相的体积百分数低于1.0%。优选的均匀化温度约为475℃。S相的熔析发生在488℃。在460℃以上的加热速率最好是不大于10°/h,高于475℃时,则不大于3°/h,目的是避免不希望有的熔析危险。
铸锭在均匀化温度下保持一定时间,以使S相减小到希望的低水平,通常低于0.2体积%,最好是低于0.1体积%,并希望接近于零。优选的是铸锭在均匀化温度下保持至少2小时,例如12小时,温度低需更长时间。
在均匀化处理以后,铸锭可以空冷到室温。冷却最好把速率控制在200℃/h以下。优选在保持200~400℃范围内某个稳定温度下间断冷却1-48小时;或者是在经过这个温度范围时把连续冷却的速率保持在约每小时10℃至100℃。这些条件可减小挤压所需的挤压机载荷。
这些均匀化工艺过程是为了保证把铸锭中的S相基本除净,以改进挤压产品的断裂韧性性能,并使铸锭处于可能的最软状态,从而使挤压所需的压力达到最小。
均匀化处理过的铸锭可以进行刮光,除去一些或全部疤皮和冷疤,然后切割成挤压用的坯块。
虽然按照本发明可以使用热挤压工艺,但优选成本较低的冷挤压或温挤压工艺。冷挤压或温挤压还可使压出物具有强度和韧性较好结合的性能。温挤压的典型做法是原料坯的温度为100-250℃,以免发生热脆性。冷挤压的典型做法是原料坯的温度低于100℃,例如在室温下进行。优先考虑的是反向挤压技术。这顶技术须用一只圆柱形的、带有平行侧壁的凹模和一个插入凹模的挤压头,挤压头的尺寸设计得使它与凹膜侧壁间的间隙等于挤压物所要求的厚度。把挤压坯放入凹膜中,将挤压头推入坯中,反向挤压出所需的中空壳体。挤压头向前的动作在离凹模底的距离等于被挤压中空壳体底部要求厚度处停止。挤压物从凹模退出的挤压速度并无严格要求,但常用的速度是50-500cm/min。加润滑油可以显著降低所需的挤压压力。
挤压件原本是杯子形的,有底,侧壁是平行的,上端开口。把上口弄平整后进行加热,常用感应加热到350-450℃后,再用模锻并旋压成形,做成瓶颈。做成的中空罐体须经固溶热处理。处理条件不算是关键,但典型的是在475℃下处理15-90分钟。然后淬火,通常放入冷水中淬火。
固溶热处理并淬火后即将中空壳体进行时效。合金的组成成分已按最大时效强度明显高于需要值来选择,这使得壳体可经过过时效而强化所需要的性能,特别是断裂韧性、抗撕裂、疲劳强度、延迟裂纹长大、抗蠕变和抗应力腐蚀。抗撕裂的定义是抑制裂纹长大所需的能量,此能量可用帕里斯韧性指数来量度(参见Mechanics andPhysics of Solids,Vol 26,1978,p163)。时效最好是导致比机械性能(与最大时效产品相比)降低10%或15-30%,例如约20%。为此需用各种时效温度(从160-220℃)和时效时间(从1-48小时)。在175-185℃的最高时效温度下时效2-24小时是可能的。这些时效可以在80-150℃、1-24小时的预时效之前进行,和/或可以再加上80-150℃,1-48小时的后时效。两次和/或三次的时效也可以改进抗撕裂,屈服强度。
众所周知,均匀化处理可减少7000系合金中的第二相粒子数,而这就可提高热加工工件的断裂韧性。热加工是指热轧或热挤压。但是按本发明的规定生产的中空壳体,其绝大部分是未经热加工的,事实上,中空罐体不同部分所用的加工方法,在种类和程度上都有明显的区别:
-罐壁在挤压过程中是很冷的或温的加工。
-相比之下,罐体底部变形较小,仍保持着铸件可认出的外观和均匀的显微组织。
-中空壳体颈部是通过热加工本身已将冷加工或温加过的中空壳体壁来形成的。这是与通常的顺序相反的,通常的顺序是热加工在先,冷加工在后。
加工条件的这些改变使中空壳体的各个不同部分产生了显著不同的显微组织。本发明的方法是一种折衷办法,设计这种方法的目的是要在中空壳体的所有部分形成适用的特性。
同样地,大家都知道过时效是用来提高经热加工过的产品的断裂韧性和抗应力腐蚀性,但是,一种给定的过时效处理,对按本发明的方法制造的中空壳体的不同的显微组织来说是否有益(或至少说是否无害),并不是显而易见的。
请参看下列附图:
图1是一个相图,前面已引用过。
图2包括应力腐蚀开裂的两个图。图2a)是裂纹长度与时间的关系图,并表示在双悬臂梁疲劳预裂纹的试样上的裂纹扩展。图2b)是裂纹速度与应力强度的关系图,应力强度是根据图2a)的数据计算出来的。
图3分为a)和b)两个图,是与图2的两个图相对应的。它表示在实验室空气温度80℃下对持续截荷开裂测量所取得的结果。
图4表示在475℃下进行均匀化处理时,S相总量随时间增加的变化。
图5表示在(A)465℃和(B)475℃下均匀化处理12小时后,在坯块上测出的示差扫描量热轨迹。
图6表示均匀化处理过的坯块用各种方法冷却时,流变应力与抗拉强度之间的关系。
图7是材料在经一次或两次时效处理后,在80℃温度下保持达6个月后,其抗撕裂与屈服强度的曲线图。
试验
在一次预备性试验中,把一块商用7150合金板用各种各样的热处理使它过时效,使屈服强度达到450 MPa左右。然后进行韧性试验。试验结果列于表1中。结果显示,该合金的断裂韧性和抗撕裂在压力容器使用中已经足够。表1:25mm厚7150-T651合金板在经再固溶热处理(475℃,
1小时)和冷水淬火后,又经各种时效处理后短横断面
实施例1
用7000系合金,公称成分为6%Zn、2%Mg、2%Cu、与高纯度母体铝合金(Fe<0.06%和Si<0.04%)共同浇铸,7000系合金分为二种类型,一种含0.2%Cr,另一种含0.1%Zr。合金的成分如表2所示。均匀化条件列于表3。
表2 7000系合金的成分,重量%
| |
Zn |
Mg |
Cu |
Cr |
Zr |
Fe |
Si |
|
试验1 |
6.23 |
2.06 |
2.00 |
0.22 |
-
|
0.06 |
0.03 |
|
6.14 |
2.07 |
2.00 |
-
|
0.12 |
0.06 |
0.03 |
|
试验2 |
5.79 |
1.92 |
1.80 |
0.2 |
-
|
0.06 |
0.03 |
|
5.76 |
1.92 |
1.79 |
-
|
0.14 |
0.05 |
0.03 |
|
试验3 |
A |
5.60 |
1.84 |
1.62 |
0.19 |
-
|
0.06 |
0.03 |
|
B |
5.96 |
2.01 |
1.87 |
0.20 |
-
|
0.06 |
0.03 |
|
7475 |
最小值最大值 |
5.26.0 |
1.92.6 |
1.21.9 |
0.180.25 |
>0.05 |
0.12 |
0.1 |
|
7150 |
最小值最大值 |
5.96.9 |
2.02.7 |
1.92.5 |
0.04 |
0.080.15 |
0.15 |
0.12 |
表3均匀化处理
|
试验1 |
24h,485℃,空冷(含Zr的合金另加16h 300℃+缓冷50℃/h) |
|
试验2 |
含Cr的合金:30→460℃(100℃/h)460→475℃(5℃/h)475→485℃(2℃/h),在485℃下保持24h空冷→室温含Zr的合金:同上,但控制冷却485→300℃(25℃/h)在300℃下保持8h空冷→室温 |
|
试验3 |
快速=与含Cr的合金试验2相同,但475-480℃(2℃/h)而480→485℃(1℃/h)慢速=与含Zr的合金试验2相同,但在300℃冷却过程中保持16h |
合金坯制造成外径175mm,公称壁厚7.9mm的压缩气瓶,工艺过程如上所述,并遵循标准操作方法,但在用热模锻法使圆柱体镦头以前,加进一次附加退火。最后制成的压缩气瓶的机械性能,按取自三个不同部位的材料列于表4。所选的部位:颈部/肩部、壁部和底包括了在铝气瓶中所产生的典型合金显微组织。表4的测定结果表明,虽然存在着数种合金显微组织,但用一种给定的热处理可以提供一只安全压缩气瓶所要求的各项性能之间的平衡。试验的气瓶(含有Cr的合金配方)已经受了在海洋环境中的大气腐蚀的真实寿命试验和实验室腐蚀试验(恒电流),以及欧洲经济共同体(EEC)对铝高压气瓶腐蚀试验所规定的条件下的考验。所有腐蚀试验的结果表明,经受试验的铝瓶的抗腐蚀能力至少与6000系的商用气瓶一样好,因而能在使用过程中提供满足要求的性能。这些结果被认为是惊人的,因为6000系合金,如6061和6082是用于裸露于海洋中的用途,例如用于北海海上螺旋形石油平台,并认为是具有良好抗腐蚀能力的,而7000系合金,特别是含铜量高于0.5%的合金,通常被视作在含盐环境中的抗腐蚀能力是很低的。
表4 含有Cr的试验1气瓶,经过180℃ 5小时时效的机械性能
|
0.2%屈服应力(MPa) |
抗拉强度(MPa) |
延伸率(%) |
KQ(MNm3/2) |
气瓶部位 |
|
470 |
522 |
13.5 |
-
|
壁部 |
|
457 |
508 |
18.0 |
41.2 |
底部 |
|
460 |
511 |
13.5 |
40.3 |
颈部/肩部 |
实施例2
在为降低生产气瓶壳体时需要的挤压机载荷的尝试中,第2次试验的合金成分含Zn和Mg稍少(见表2),同时所采用的均匀化处理方法是进一步优化了的(见表3)。由于在气瓶壳体生产中所需的挤压机负荷始终如一地比试验1要低(见表5),因此证明该方法是成功的。此外,从试验1还观察到,含Cr的合金所需的载荷要明显低于含Zr的合金。这一差别的重要性在试验2中清楚地显示出来:27块含Cr合金坯全部成功地挤压成了壳体,而18块含Zr合金坯只压了一半就发生了挤压机的高载荷而导致不能接受的变形而使试验中止。这些问题本来是可以采用温挤压法,或采用更强力的挤压机或采用改善的润滑办法来克服的。
在这些观察的基础上可以肯定应优先采用含Cr的合金,因为:a)它能使均匀化状态下的合金较软,通过自然时效也能使尔后的硬度增加趋于减少,因此在挤压时挤压机的负荷就会较低;b)制成的气瓶韧性较高。这种选择含Cr含量与高强度7000系合金的已丢开含Cr的合金如7075,7175和7475的发展趋向是相抵触的,而主张含Zr的合金,例如7050,7150和7055,因为含Zr的合金具有低的淬火敏感性,并认为它是提供潜在的较高断裂韧性的材料。
表5 7000系气瓶试验时的挤压机载荷
|
合金含Cr的合金 |
载荷KN×103 |
|
试验1试验2试验3 |
25.822.6-23.921.9-24.8 |
|
含Zr的合金 |
载荷KN×103 |
|
试验1试验2 |
26.8-27.724.5-26.5 |
在180℃下时效5小时后,这次试验的气瓶须经欧共体腐蚀试验,试验是把从肩部、壁部和底部取下的试样暴露于酸化的氯化物溶液中72小时。所有试样都通过了这个试验。没有发现晶间腐蚀,只有明显的晶体学总体腐蚀。
气瓶还须进行欧共体应力腐蚀断裂试验(SCC)(见EECSpecification No.L 300/41)。从瓶壁取下的环带要做C形环的拉伸和压缩两项试验。样品被加上0.2%屈服应力/1.3的应力水平。试验环境为3.5%NaCl溶液,浸入与暴露交替进行(ASTM G44-75),共30天,空气温度为27℃,相对湿度为45%。所有试样都完成了30天的试验未有断裂,因此认为这种材料用以制造气瓶,在抗应力腐蚀断裂的性能方面是适合的。
下一步是用了更严峻的试验方法来检验气瓶肩部材料对应力腐蚀断裂的敏感性。从气瓶具有圆环取向的肩部材料取下气瓶平滑的拉伸试样,按照断裂载荷试验序进行(参见E.L.Colvin和M.R.Emptage,“The Breaking Load Method:Results and StatisticalModification from the ASTM Interlaboratory Test Program”inNew Methods for Corrosion Testing Aluminium Alloys,ASTM-STP 1134,V.S.Agarwala和G.M.Ugiansky,Eds.,American Societyfor Testing and Materials,Philadelphia,1992,pp82-100)。把试样的拉伸载荷加到特定的应力水平(见表6),在3.5% NaCl溶液中像前述那样交替浸入与暴露。七天后,把试样从试验环境中取出,卸去载荷,并在传统的拉伸试验中进行拉伸试验。材料强度的降低说明对应力腐蚀断裂敏感,但是,即使加到0.2%屈服应力的90%的试样也都展示出了卓越的抗应力腐蚀断裂,见表6。
表6中最后一栏“断裂载荷”显示出两个独立试样的试验结果,崐但这两个独立试样是名义上相似的试样,亦即两者的试验环境、暴露时间和所用的应力都是一致的。
表6
|
气瓶符号 |
试验时间 |
所用应力(MPa) |
应力水平 |
断裂载荷(MPa) |
|
A |
0777 |
/208346375 |
/使用压力试验压力90%、0.2%屈服应力 |
478/485462/500465/485459/489 |
|
B |
0777 |
/208346375 |
/使用压力试验压力90%、0.2%屈服应力 |
479/499482/484468/491472/472 |
以上所述的所有试验中应力腐蚀断裂都是从光滑表面开始的。疲劳预裂纹的断裂力学型加压试样是从气瓶的底部和肩部取下的,是试验2的合金,用它来表示气瓶材料的抵抗裂纹长大的能力,该裂纹起始于原有的尖锐裂纹。对含Cr的合金气瓶,试验用两种环境进行:a)室温下的能抑制铬酸盐生成的酸化含盐水溶液(2%氯化钠+0.5%铬酸钠,用浓HCl酸化到pH 3.5)(应力腐蚀断裂);b)80℃的实验室空气(持续载荷断裂)。
试样(在图2和图3中标为“顶3”者)取自气瓶的颈部/肩部,在最敏感的方向上刻上切口以给裂纹定向。另一组试样(在图2、图3中标为“底2”者)取自气瓶底部,从中心沿径向刻上切口。
在图2a)和3a)中,数据是以裂纹长大与时间的函数关系来表示。在图2b)和3b)中,裂纹长大速率的数据是以应力强度因子的函数来表示。含Cr的合金的试验结果表明,当应力强度因子低于30MNm3/2时,裂纹长大速率会降到10-13m/s以下。因此含Cr合金气瓶上的材料,借助于应力腐蚀断裂试验或持续载荷断裂(SLC)试验都可说明它具有非常强的抗裂纹扩展。持续载荷断裂是一个新近认定的晶间裂纹长大机制,这是对沉淀硬化的铝合金来说的(见Met.Trans.Vol23A,pp 1679-1689,1992)。
实施例3
在头两次气瓶制造试验取得的资料的基础上,又设计了进一步的试验(试验3)。这次试验使用了两种改型的含Cr 7000系合金(见表2),该材料经过表3中两种方法之一的均匀化处理。在试验3中全部47块合金坯都在挤压机上成功地压制成了气瓶,尺寸与试验1相同,即外径175mm,壁厚7.9mm。像预期的那样,随着Zn和Mg的含量的增加,挤压机的载荷也加大,但是对一种给定成分的合金来说,载荷的绝对值,试验3都比前两次试验要低。此外,试验合金中,凡是在均匀化处理时加进了自匀热温度的分级冷却和/或在壳体时制造减慢挤压头速度的,它的挤压机负荷就会降低。挤压压力和均匀化状态下的机械性能如表7所示。
表7 试验3所用7000系合金的挤压机载荷和均匀化状态下的机械性能
压缩气瓶经475℃、1小时的固溶热处理,冷水淬火,并在180℃下时效4.5小时后才进行各种试验。从6只气瓶上各取下2个圆环和4根相同大小的弯片。试样宽18.1mm、长175mm,是从6只气瓶上取下的(表8中气瓶A-F),用来作弯曲试验。所有试样均可弯绕在一根直径47.1mm的圆棒上,而没有开裂。
6只气瓶进行了拉伸试验,试验结果列于表8。
2只气瓶进行了爆破试验,试验结果列于表9。
3只气进行了疲劳试验,疲劳试验压力为343 Bar(34.3 MPa),试验结果列于表10。
表8
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气瓶 |
均匀化处理 |
屈服强度(MPa) |
抗拉强度(MPa) |
延伸率(%) |
|
ABCD |
快慢慢快 |
435429435436 |
496490500500 |
14.515.013.813.0 |
表9
|
气瓶 |
均匀化处理 |
挤压速度(mm/s) |
镦头速度(mm/s) |
爆破压力(MPa) |
破裂模式 |
|
G |
慢 |
14.8(慢) |
31.8快 |
51.7 |
中部s/w |
|
H |
快 |
14.8(慢) |
10.6(慢) |
49.7 |
稍下s/w |
表10
|
气瓶 |
均质化处理 |
挤压速度(mm/s) |
镦头速度(mm/s) |
破裂前试验周期数 |
|
LMN |
快快快 |
46.610.614.8 |
31.831.821.2 |
404048014888 |
实施例4
均匀化处理的实施在这项操作中所用的合金成分如表11。
表11
|
合金 |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Ti |
Zn |
B |
|
I |
0.06 |
0.09 |
2.06 |
0.003 |
2.04 |
0.20 |
0.024 |
5.99 |
-
|
|
II |
0.04 |
0.06 |
1.95 |
0.003 |
1.9l |
0.20 |
0.028 |
5.87 |
0 001 |
从合金I挤压坯取下的直径最大达300mm的试样,经过465℃或475℃最长达12小时的均匀化处理后,用示差扫描量热法(DSC)来测定S相的总量。从图4中可以看出,在475℃下经7小时以上的处理,就可能把S相的体积含量减少到<0.1%,如在475℃下处理12小时,就可把S相减少到几乎为零。
图5是用示差扫描量热法作出的曲线图,它对比了两块合金坯的情况,一块是在475℃下均匀化处理12小时,另一块是在465℃下均匀化处理12小时。在较低温度下进行均匀化处理的合金坯,其中存在S相是由靠近(A)处的峰指示出来的,峰下的面积就示出了S相的体积%,在此是0.28体积%。另一块合金坯的曲线上没有峰证明它没有可测出的S相。
因此,就选定了压缩气瓶的挤压锭在475℃下处理12小时的经济的均匀化实施方案,这不但缩短了操作时间,还减少了熔析(488℃)的危险,同时,还降低了对缓慢加热升温至均匀化温度的要求。
Gerzat(US 4439246 1984)建议,在465℃下进行均匀化处理是可能的。要在这一低温下把S相减到可接受的极限,可能要费时48小时以上,这在工业上是不可行的。
为了证实475℃、12h能做到充分的均质化,而465℃、12h则不能,特制造了几只具有含金Ⅱ的上述成分的气瓶,这些气瓶进行了三种不同的均匀化处理:(a)465℃、12h;(b)475℃、12h;(c)485℃,24h。所有的气瓶都经过了同样的生产工序,其中包括双时效,先是110℃、8h,然后180℃,4.5h。虽然所有气瓶的爆破压力相似,但它们的破裂模式是不同的,见表12。用经过485℃均匀化处理的材料制成的气瓶的破裂模式最好,用475℃均匀化处理的材料制成的合金气瓶稍差,而用465℃均匀化处理的材料制作的气瓶表现出其抗裂纹扩展最小,而且明显地没有达到Gerzat专利所要求的及格指标。在465℃均匀化处理过的材料中存在的S相,无疑地影响了气瓶的性能。
表12 175mm直径的气瓶
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均匀化处理 |
爆破压力MPa |
破裂模式 |
抗拉强度/σy(延伸率%) |
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12h 465℃ |
49.7 |
纵向开裂,气瓶全长并穿过棱缘进入底部 |
495/438(13.5±1.5) |
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12h 475℃ |
50.0 |
纵向开裂,在圆筒体上,刚至棱缘 |
505/475(17±2.0) |
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24h 485℃+缓慢冷却 |
49.7 |
纵向开裂,在圆筒体上 |
500/447(16.5±0.5) |
从均质化处理温度进行冷却对合金坯的可挤压性有重要的影响。在平面应变压缩成形中测定的流变应力和抗拉强度(UTS)都可提供可挤压性的实验测量。高的数值往住表示可挤压性差。在475℃12h均匀化处理后检验了四种冷却方法的效果:
1.空气冷却(约200℃/h)。
2.炉冷(小于100℃/h)。
3.分级冷却(25℃/h冷到300℃,空气冷却)。
4.25℃/h冷到300℃,保持16h,空气冷却。
抗拉强度是在标准的拉伸试验中测定的。流变应力是在两种不同的应变速度(3/s和0.7/s)和两种不同的温度(室温度,在较低应变速度下是150℃)下利用平面应变压缩成形试验测定的.图6示出每组条件下的测定结果。每个点附近的数字代表冷却方法。从图中可以看出,方法“4”把流变应力比用空气冷却降低了约10%,把抗拉强度降低了约15%。用25℃/h的速率把均匀化温度降到室温也可使流变应力降低类似的数量。抗拉强度和流变应力的降低,可使挤压压力减小。
把试验温度升高到150℃可使屈服应力降低约15%。已观测到挤压压力相应的降低。
实施例5
含Fe的量对气瓶性能的影响
材料是直径178mm的铸件,有4种不同的含铁量,见表13。
表13 化学成分(重量%)
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元素(重量%) |
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Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Ti |
Zn |
B |
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0.040.090.060.15 |
0.060.190.120.30 |
1.951.931.902.02 |
0.0030.0060.0040.008 |
1.911.942.002.01 |
0.200.200.190.19 |
5.875.936.286.07 |
0.0280.0300.0280.027 |
0.0010.0010.0010.001 |
材料经475℃ 12h的均匀化处理并用空冷到室温。制成了直径175mm的气瓶。所有气瓶都在一批中进行了热处理。热处理包括:在475℃进行1小时的固溶热处理,冷水淬火和双时效(110℃8h和180℃4.25h)。
已注意到,铁含量对0.2%屈服应力有直接的影响,见表14,也就是说,随于Fe含量增加,0.2%屈服应力值就降低。这是因为Fe能降低Cu用于强化机制,亦即Fe与Cu和Al结合而生成的成分,例如Cu2FeAl7的有害第二相。表14还示出了爆破试验的结果,它表明,最大的爆破压力是从含Fe量低的气瓶上获得的。含Fe量低的气瓶所发生的裂纹是单个纵向裂纹,该裂纹在圆筒体上。裂纹长度是这样增加的:含Fe量在0.12%以上的气瓶,裂纹延伸出圆筒体进入底部和/或肩部。根据观察到的气瓶爆破和断裂特性,合金中的含铁量最好不高于0.10%。
表14
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[Fe]重量% |
爆破压力磅/英寸2 |
破裂模式 |
抗拉强度/σ y(MNm-2)延伸(%) |
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0.06 |
7250 |
纵向裂纹,在气瓶圆筒体上 |
505/475(14.80) |
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0.12 |
7300 |
纵向裂纹,在气瓶圆筒体上并穿过棱缘进入底部 |
512/463(14.97) |
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0.19 |
7050 |
同上(0.12Fe)但+裂纹伸向颈部和螺纹 |
503/460(14.64) |
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0.30 |
6750 |
如上(0.19Fe)但+裂纹分岔 |
481/431(14.80) |
实施例6
时效对气瓶性能的影响
试验2中的气瓶就时效方法对气瓶性能的影响进行了调查。所有气瓶在时效前都经过了475℃1h的固溶热处理和冷水淬火。调查了两种时效方法的效果:(a)单时效,在180℃下老化4.5h;(b)双时效,先是100℃8h,继之是180℃4.5h。
双时效得到的屈服强度和帕里斯撕裂指数都较高,见图7。
为了检验在单时效或双时效后材料在贮藏期间的稳定性,曾把试样在80℃温度下保持高达6个月。结果惊奇地发现,材料的屈服强度和帕时时里斯韧性指数(在图中分别以虚线和实线表示)都随保持时间的延长而提高,这说明材料的强度和韧性都更好。单进效或双时效后在80℃下保持6个月的材料,其断裂韧性测量的结果示于图7。再进一步的试验表明,如保持在更高的温度,例如140℃和120℃,将更快地取得类似的效果。
在另一次试验中,把气瓶壁切片在475℃下进行固溶热处理1h后进行冷水淬火,接着在180℃时效5小时,即等温时效,不是双时效.然后把样品进一步在120、140、160和180四种温度分别进行时效,用抗拉性能和断裂韧性来评估它们的热稳定性。最终热处理温度为140℃的材料的综合数据示于下表15(所列的数值是3个试样的平均值)。
十分明显,当试样在140℃下处理时间长达最少24h时,其强度和撕裂韧性都会提高,时间达96h时出现了强度的降低。当在120℃处理时,强度也提高了,撕裂韧性也可望提高。
*Kq(max)为临界应力强度,是由达到的最大载荷和在该载荷下的计算出的裂纹长度算出的。
*Kcod=[(2sy E dc)/(1-V2)]1/2是当量临界应力强度,是由裂纹尖端张开位移(Crack Tip Opening Displacement)计算出的,式中sy=0.2%屈服应力,E=杨氏弹性模量,dc=常规裂纹尖端张开位移,v=泊松比。