淺析鋁合金無縫氣瓶的硬度試驗

郝延平(沈陽特種設備檢測研究院，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，主要用來充裝標準氣體、標準混合氣體、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、一氧化碳氣體的充裝。鋁合金無縫氣瓶已經廣泛應用于電子、醫療、潛水、化工、冶金、礦山等領域。

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性能指標。由于硬度試驗設備簡單、操作方便，能敏感地反映出材料的化學成分、組織結構的差異，因而被廣泛用來檢查熱處理工藝質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產生很小的壓痕，通常視為無損檢測，因而對大多數機件可用成品試驗而無需專門加工試樣。

金屬的硬度與強度等力學性能指標之間雖無嚴格的對應關系，但可根據大量試驗數據找出粗略的換算關系，從而可按硬度試驗結果大體上估計金屬靜強度及其它性能的數值。

根據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，應逐只進行室溫硬度試驗，以確定每批鋁合金無縫氣瓶熱處理的穩定性和每只鋁合金無縫氣瓶熱處理的均勻性。試驗方法應符合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化型鋁合金中唯一沒有發現應力腐蝕斷裂(SCC)現象的合金，有中等強度和優良的耐蝕性能，有明顯的時效強化效應。

Al-Mg-Si合金可進行自然時效或人工時效，但因自然時效速度較慢，而且強化效果不如人工時效，故Al-Mg-Si合金一般在人工時效狀態下使用。由于Mg2Si含量大于0.9%的Al-Mg-Si合金存在停放效應，即淬火后在室溫停放一段時間再進行人工時效處理時，將使合金的時效強化效應降低。對這種現象的一種解釋是Al-Mg-Si系合金中Mg在鋁中的溶解度遠大于硅。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.區是在硅核上形成的。如果停放時間短，則只產生硅的偏聚，大部分溶質原子仍保留在固溶體內，隨后進行人工時效，鎂和硅原子繼續向硅的偏聚團上遷移，形成大量穩定晶核并繼續長大；如果在室溫停留時間過長，合金內形成大量偏聚，因而固溶體中溶質元素濃度大大降低。這樣，當溫度一旦升高到人工時效溫度，那些小于臨界尺寸的G.P.區將重新溶入固溶體，致使穩定的晶核數目減少，從而形成粗大的過渡相。因此，當采用人工時效工藝時，應注意熱處理工序之間的協調。

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)及人工時效強化處理，目的是借助時效硬化以提高鋁合金的強度性能。

在固溶處理時，為保證強化相充分固溶，加熱溫度應超過固溶度線。溫度愈高，固溶愈快，也愈完全，時效強化效果也更顯著。但不應高于固相線，否則合金將發生局部溶化，即造成過燒，這將嚴重降低合金的性能。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，一般固溶處理溫度應控制在515～550℃，保溫時間1.5～2 h。

固溶處理介質一般用水，以保證快速冷卻。固溶處理水溫一般低于30℃。

固溶處理后接著進行人工時效，由于Al-Mg-Si系鋁合金存在停放效應，因此，固溶處理后應盡快進行人工時效處理，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。經過人們的大量實踐，當這些組織顆粒在合金中越細小、越彌散分布，越會導致鋁合金強度升高，因此，鋁合金都使用固溶+時效的熱處理工藝，保證材料強度達到一定水平。

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

人工時效的材料強度變化曲線是一個單峰曲線。當強度達到最大之后開始下降，并伴隨著塑性降低，因此在工藝中應嚴格控制不能產生過時效的情況。但實際執行工藝中會發生如下問題：

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的工藝過程涉及到“溫度”效應。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. 產品出廠后，長期置于高于室溫的環境中，特別是當產品本身已經過時效處理(強度出廠時是合格的)，強度也會發生下降。

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

5 結束語

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，因此對熱處理控制要求很高。通過分析硬度試驗的數據，可以便捷的得到鋁合金無縫氣瓶熱處理結果，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據分析，確定氣瓶是否可以繼續安全使用。

[1] TSG R 0006—2014 氣瓶安全技術監察規程[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] 氣瓶檢驗員培訓教材[Z]. 中國特種設備檢驗協會.

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，現就職于沈陽特種設備檢測研究院。E-mail:haoyanpng@126.com。