浅析铝合金无缝气瓶的硬度试验

郝延平(沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

·气瓶检验·

浅析铝合金无缝气瓶的硬度试验

郝延平
(沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

通过对铝合金无缝气瓶材料性能和热处理机理的分析，解释了铝合金无缝气瓶材料硬度下降的原因，说明了硬度试验在铝合金无缝气瓶制造和定期检验过程中的重要作用。

铝合金无缝气瓶；硬度试验；热处理

铝合金无缝气瓶具有优良的低温冲击性能，重量较轻，耐腐蚀性好等特点，主要用来充装标准气体、标准混合气体、特种混合气体、超纯气体、氧气以及二氧化碳等气体，并且可用于煤气、一氧化碳气体的充装。铝合金无缝气瓶已经广泛应用于电子、医疗、潜水、化工、冶金、矿山等领域。

由于铝合金材料的特性，无论在铝合金无缝气瓶的制造过程中还是在定期检验过程中，硬度试验都有非常重要的作用。

1 铝合金无缝气瓶硬度试验的目的

硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压入或刻划的能力。它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。由于硬度试验设备简单、操作方便，能敏感地反映出材料的化学成分、组织结构的差异，因而被广泛用来检查热处理工艺质量或研究热处理相变过程。

由于硬度试验一般仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕，通常视为无损检测，因而对大多数机件可用成品试验而无需专门加工试样。

金属的硬度与强度等力学性能指标之间虽无严格的对应关系，但可根据大量试验数据找出粗略的换算关系，从而可按硬度试验结果大体上估计金属静强度及其它性能的数值。

根据GB 11640—2011《铝合金无缝气瓶》的要求，铝合金无缝气瓶在固溶处理和人工时效处理之后，应逐只进行室温硬度试验，以确定每批铝合金无缝气瓶热处理的稳定性和每只铝合金无缝气瓶热处理的均匀性。试验方法应符合GB/T 230.1《金属材料 洛氏硬度试验》和GB/T 231.1《金属材料 布氏硬度试验》的规定。

2 铝合金无缝气瓶的材料

铝合金无缝气瓶瓶体的材料一般选用6061铝合金，这个牌号材料属于Al-Mg-Si系锻用铝合金，具有良好的冷、热加工、耐蚀、低温、疲劳等性能。Al-Mg-Si系合金是在热处理强化型铝合金中唯一没有发现应力腐蚀断裂(SCC)现象的合金，有中等强度和优良的耐蚀性能，有明显的时效强化效应。

Al-Mg-Si合金可进行自然时效或人工时效，但因自然时效速度较慢，而且强化效果不如人工时效，故Al-Mg-Si合金一般在人工时效状态下使用。由于Mg2Si含量大于0.9%的Al-Mg-Si合金存在停放效应，即淬火后在室温停放一段时间再进行人工时效处理时，将使合金的时效强化效应降低。对这种现象的一种解释是Al-Mg-Si系合金中Mg在铝中的溶解度远大于硅。在室温停留期间，过剩硅将首先形成偏聚，而镁、硅原子的G.P.区是在硅核上形成的。如果停放时间短，则只产生硅的偏聚，大部分溶质原子仍保留在固溶体内，随后进行人工时效，镁和硅原子继续向硅的偏聚团上迁移，形成大量稳定晶核并继续长大；如果在室温停留时间过长，合金内形成大量偏聚，因而固溶体中溶质元素浓度大大降低。这样，当温度一旦升高到人工时效温度，那些小于临界尺寸的G.P.区将重新溶入固溶体，致使稳定的晶核数目减少，从而形成粗大的过渡相。因此，当采用人工时效工艺时，应注意热处理工序之间的协调。

3 铝合金无缝气瓶的热处理分析

铝合金无缝气瓶一般采用固溶处理(或称淬火)及人工时效强化处理，目的是借助时效硬化以提高铝合金的强度性能。

在固溶处理时，为保证强化相充分固溶，加热温度应超过固溶度线。温度愈高，固溶愈快，也愈完全，时效强化效果也更显著。但不应高于固相线，否则合金将发生局部溶化，即造成过烧，这将严重降低合金的性能。另外，固溶处理加热也要注意防止晶粒过分长大。因此，铝合金的固溶处理加热温度很窄，温度控制要求很严，一般固溶处理温度应控制在515～550℃，保温时间1.5～2 h。

固溶处理介质一般用水，以保证快速冷却。固溶处理水温一般低于30℃。

固溶处理后接着进行人工时效，由于Al-Mg-Si系铝合金存在停放效应，因此，固溶处理后应尽快进行人工时效处理，其间隔时间不得超过2 h。人工时效温度一般在160～180℃，保温时间10～12 h。

4 铝合金无缝气瓶材料硬度下降的原因分析

材料硬度下降是铝合金时效的强度变化问题，原因如下：

铝合金中加入的其他金属元素，例如Cu、Mg、Si等会在合金中形成第二相组织。经过人们的大量实践，当这些组织颗粒在合金中越细小、越弥散分布，越会导致铝合金强度升高，因此，铝合金都使用固溶+时效的热处理工艺，保证材料强度达到一定水平。

图1 固溶处理与时效处理的工艺过程示意图

其原理是通过高温将第二相溶解，然后在高于室温或室温下弥散第二相析出。室温下的时效称为“自然时效”，高于室温的时效称为“人工时效”。

图2 冷时效和温时效过程硬度变化示意图

人工时效的材料强度变化曲线是一个单峰曲线。当强度达到最大之后开始下降，并伴随着塑性降低，因此在工艺中应严格控制不能产生过时效的情况。但实际执行工艺中会发生如下问题：

1. 热处理工艺中并未过时效，也就是说，时效的时间未超过A点。但热处理后的工件还有后续的工艺过程涉及到“温度”效应。如烤漆工艺、部分需要加热的表面氧化工艺、缠绕固化工艺、甚至某些检测过程。

2. 产品出厂后，长期置于高于室温的环境中，特别是当产品本身已经过时效处理(强度出厂时是合格的)，强度也会发生下降。

过时效概念：在一定温度下，随时效时间延长，合金强度、硬度逐渐增高。至一定时间，其强度、硬度达到最大值(峰值)。时效时间再延长则其强度、硬度反而下降，此即所谓的“过时效”。

5 结束语

由于制造铝合金无缝气瓶材料固溶处理的加热温度范围很窄，而且存在停放效应，因此对热处理控制要求很高。通过分析硬度试验的数据，可以便捷的得到铝合金无缝气瓶热处理结果，从而确定铝合金无缝气瓶的安全性能；在铝合金无缝气瓶的定期检验中也可以通过硬度试验数据分析，确定气瓶是否可以继续安全使用。

[1] TSG R 0006—2014 气瓶安全技术监察规程[S].

[2] GB 11640—2011 铝合金无缝气瓶[S].

[3] GB 13077—2004 铝合金无缝气瓶定期检验与评定[S].

[4] 气瓶检验员培训教材[Z]. 中国特种设备检验协会.

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，高级工程师，现就职于沈阳特种设备检测研究院。E-mail:haoyanpng@126.com。