鋁合金鉚釘熱處理過程的工藝精細控制

齊躍，余傳魁，張曉斌，張槐，高偉，周穎

航天精工股份有限公司 天津 300300

1 序言

鋁合金具有耐蝕性好、比強度高等多種特性，使其在工業(yè)及民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域中，鋁合金已經(jīng)成為飛機和航天器輕量化的首選，用量為70%～80%。鋁合金鉚釘，也作為主要的連接件得到大量的應(yīng)用[1，2]。

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鋁合金鉚釘在熱處理之后，力學(xué)性能波動較大，特別是冬、夏季節(jié)的性能差異尤為明顯，給熱處理過程的質(zhì)量控制造成不小的麻煩。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，LY10鋁鉚釘?shù)囊淮喂倘芎细衤蕛H為93.4%，返工返修時有發(fā)生，有些鋁合金鉚釘甚至經(jīng)過了2次重新固溶，這對鋁合金的性能產(chǎn)生了不良的影響。進一步研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金產(chǎn)品在固溶過程中，其性能受到的影響因素主要有表面狀態(tài)、固溶溫度、固溶保溫時間、淬火轉(zhuǎn)移時間、冷卻水溫度、淬火浸泡時間、固溶與時效的時間間隔、時效溫度以及時效保溫時間等9類。

為徹底解決鋁合金鉚釘在熱處理過程中的質(zhì)量控制問題，本工作以LY10鋁鉚釘產(chǎn)品作為研究對象，針對以上9類影響因素進行了工藝優(yōu)化及精細控制，全面分析了鋁合金熱處理工藝過程中的控制要點，提高了鋁合金鉚釘熱處理后剪切性能的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了鋁合金鉚釘熱處理過程的工藝精細控制。

2 材料基本信息

LY10（又稱2A10）是鋁-銅-鎂系硬鋁合金。經(jīng)過固溶熱處理加人工時效或自然時效強化，用于制造較高強度的鉚釘。鉚釘在熱處理強化后，鉚接不受熱處理后停留的時間限制[3]。

材料所屬的標(biāo)準(zhǔn)GJB 2055—1994《鋁及鋁合金鉚釘線材規(guī)范》，熱處理所屬標(biāo)準(zhǔn)為GJB 1694—1993《變形鋁合金熱處理規(guī)范》以及參考AMS 2770—2014《變形鋁合金零件熱處理規(guī)范》（《Heat Treatment of Wrought Aluminum Alloy Parts》）。LY10材料的化學(xué)成分見表1。

表1 LY10合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3 熱處理過程中主要影響因素識別及分析

3.1 熱處理過程排查及識別影響因素

對熱處理過程進行梳理，通過熱處理特殊過程質(zhì)量控制管理辦法，將人、機、料、環(huán)、測等除工藝以外的影響因素進行控制，將工藝控制作為研究的主要內(nèi)容，識別出9大主要因素，見表2。

3.2 影響因素的控制方案

（1）固溶保溫時間及其選擇原則 固溶保溫時間的選擇原則是在正常固溶處理溫度下，使強化相達到滿意的溶解程度，并使固溶體充分均勻及晶粒細小。鋁合金的淬火保溫時間主要是根據(jù)淬火加熱溫度、產(chǎn)品的尺寸、加熱方式、加熱介質(zhì)和裝爐量的多少，以及產(chǎn)品要求的性能等因素來確定。

本試驗設(shè)立對比方案2組，一組按照產(chǎn)品規(guī)格確定保溫時間，另一組按照產(chǎn)品裝爐厚度確定保溫時間，見表3。

經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，固溶保溫時間短（40min）或固溶保溫時間長（90min）都會出現(xiàn)鋁合金強度下降的問題，但是固溶保溫時間短的影響更加突出。

（2）淬火轉(zhuǎn)移時間 淬火轉(zhuǎn)移時間是把材料從淬火加熱爐中轉(zhuǎn)移到淬火水槽中的時間，即從固溶處理爐爐門打開到制品全部浸入淬火介質(zhì)所經(jīng)歷的時間。淬火轉(zhuǎn)移時間對材料的性能影響很大。因為產(chǎn)品出爐后，溫度會迅速降低，所以轉(zhuǎn)移時間的影響與降低平均冷卻速的影響相似。為了防止過飽和固溶體發(fā)生局部的分解和析出，使淬火和時效效果降低，淬火轉(zhuǎn)移時間應(yīng)越短越好。應(yīng)特別指出，淬火轉(zhuǎn)移時間的長短對高強和超高強等淬火敏感性強的合金的力學(xué)性能、抗蝕性能和斷裂韌度的影響很大，因為強化相容易沿晶界首先析出，使上述性能下降，對于這樣的合金更應(yīng)嚴格控制淬火轉(zhuǎn)移時間。

表2 工藝控制影響因素

表3 固溶保溫時間及其剪切性能

本試驗對淬火轉(zhuǎn)移時間進行了對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淬火轉(zhuǎn)移時間為25s時的鉚釘剪切強度比淬火轉(zhuǎn)移時間為6s的鉚釘剪切強度低了超過20MPa，并且在試驗的57組中，有7組剪切性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的245MPa，產(chǎn)品不合格率為12.28%。而轉(zhuǎn)移時間為6s以內(nèi)的鉚釘，合格率為100%。

（3）固溶與時效的時間間隔 固溶與時效的時間間隔即從淬火到人工時效之間停留時間的影響。研究發(fā)現(xiàn)[4]，某些鋁合金（如Al-Mg-Si系合金）在室溫停留后再進行人工時效，合金的強度指標(biāo)達不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101鑄造鋁合金，淬火后在室溫下停留一天后再進行人工時效，強度極限較淬火后立即時效的要低10～20MPa，但塑性要比立刻進行時效的鋁合金有所提高。

本試驗對LY10鋁鉚釘固溶與時效的時間間隔的影響進行了實際的驗證，試驗時，控制其他參數(shù)保持一致，試驗結(jié)果見表4。

表4 固溶與時效的時間間隔對LY10鋁鉚釘剪切性能的影響

由表4可知，固溶與時效的時間間隔對LY10鋁合金的剪切性能無影響。

（4）對影響因素采取的控制方案 對識別出的影響因素采取表5中所示的控制辦法，冷卻水溫度作為唯一變量做進一步研究。

試驗組設(shè)置正交試驗方法，對不同規(guī)格的產(chǎn)品在相同淬火冷卻介質(zhì)溫度以及同種規(guī)格在不同淬火溫度熱處理的性能進行分析，獲得試驗數(shù)據(jù)分布，如圖1所示。從圖1中可以獲得以下信息。

表5 對影響因素的控制

圖1 冷卻水溫度影響性能曲線分析

1）不同規(guī)格產(chǎn)品在同一冷卻溫度區(qū)間剪切強度相差很大。

2）同種規(guī)格產(chǎn)品在不同冷卻溫度區(qū)間性能隨溫度升高呈下降趨勢，尤其在臨界值245MPa左右出現(xiàn)不合格的概率增大。

對不同規(guī)格的產(chǎn)品的性能差異進行了原因分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁合金原材料的晶粒度差異是造成性能差異的最主要原因，如圖2所示。

4 工藝優(yōu)化及其效果評估

經(jīng)過工藝優(yōu)化，獲得的優(yōu)化效果見表6。

圖2 不同規(guī)格原材料晶粒度對比

表6 改善前后的質(zhì)量穩(wěn)定性數(shù)據(jù)對比表

5 結(jié)束語

LY10（2A10）具有較高的剪切強度，在熱處理后鉚釘不受停留時間限制（即：固溶與時效時間間隔），材料耐蝕性與LY1（2A01）、LY12（2A12）相同，可以代替2A01、2A11、2A12等合金制造鉚釘。同時，該合金具有良好的抗氧化性能，在固溶+時效狀態(tài)無晶間腐蝕傾向，但加熱溫度超過100℃后，會產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。

LY10鉚釘在進行熱處理時，應(yīng)該關(guān)注以下幾點影響因素。

1）選擇適當(dāng)?shù)墓倘鼙貢r間，保溫過長會導(dǎo)致晶粒粗大以及過熱過燒等缺陷；保溫過短，會影響固溶效果，導(dǎo)致產(chǎn)品剪切性能偏低。應(yīng)根據(jù)進行熱處理零件的最大厚度，選擇合適的保溫時間。

2）控制合適的冷卻水溫度，當(dāng)水溫高時，產(chǎn)品的性能偏低，可能會出現(xiàn)性能不合格的現(xiàn)象；水溫越低，強度呈現(xiàn)越高的趨勢，但控制困難，生產(chǎn)成本會大幅增加。因此，應(yīng)將冷卻水溫度控制在15℃以下為宜。

3）將前面敘述的9大因素進行精細、精準(zhǔn)控制，可以顯著提高鋁合金產(chǎn)品的一次固溶合格率，并且可以有效控制產(chǎn)品的性能穩(wěn)定，達到質(zhì)量穩(wěn)定和降本增效的目的。