铆钉虽小作用大 一些短板亟待补(下)
2016年06月06日 10:14 8229次浏览 来源: 中国有色金属报 分类: 铝资讯 作者: 王祝堂
5A06合金
在热处理不可强化的5XXX系变形铝合金中,5A06合金的Mg含量高,强度中等,退火状态塑性尚可,抗蚀性良好,冷作硬化可提高强度,但使抗应力腐蚀开裂能力下降,合金的成分(质量%):Si0.40,Fe0.40,Cu0.10,Mn0.50~0.80,Mg5.8~6.8,Zn0.20,Be0.0001~0.005,Ti0.02~0.10,其他杂质单个0.05、合计0.10,其余Al。该合金半成品种类主要为板、带、管、棒、型材与锻件,铆钉线材产量小,仅占2%左右,按GB/T3196与GJB2055,线材直径16mm~10.0mm,在HX8状态供应,抗剪强度Rc≥167N/mm2,在退火状态下铆接。按HB/Z5126,合金的完全退火制度310℃~335℃,线材直径≤6mm时热透后空冷或水冷,直径>6mm时30min后空冷或水冷。按GJB1694,完全退火温度350℃~410℃,按线材直径确定保温时间,应准确控制保温时间,以晶粒度满足要求为准,然后以不大于30℃/h的冷却速度冷至260℃以下出炉空冷。
5A06合金的熔炼温度700℃~750℃,铸造温度690℃~730℃,加Be是为了提高熔体的抗氧化能力,为了避免钠脆,不得使用含钠熔剂。5A06-O合金有良好的抗蚀性,冷作硬化可导致剥落腐蚀,合金的抗蚀性与退火制度和生产使用过程中的加热条件影响较大,最佳退火温度310℃~335℃。5A06合金的室温组织为α-Al+β相(Al3Mg2),Mn、Fe、Si可形成不同杂质相AlMg2Zn、AlFeSi、Mg2Si,在310℃~335℃退火,可以避免β相沿晶界连续性分布,而在晶界和晶内均匀地析出。
热处理可强化铆钉铝合金
2A01合金
2A01合金:一种含2.2%Cu~3%Cu、0.20%Mg~0.30%Mg的Al-Cu-Mg系的热处理可强化的专业铆钉线材合金,是一种古老的合金,于上世纪20年代初期定型,用于制造中等强度和工作温度不大于100℃的结构铆钉,室温下塑性高,在固溶处理和时效后使用,不受热处理后停放时间限制。合金的抗蚀性差,加热超过100℃后有晶间腐蚀倾向,铆接前应进行阳极氧化处理并用重铬酸钾封孔。铆钉固溶处理时装于专用铁丝筐内,摊厚不得超过20mm,在盐浴槽内加热,温度495℃~505℃,保温20min~80min,在室温水中淬火,转移时间不得长于15S,以免降低抗蚀性和抗剪强度,淬火加热温度低于495℃,会产生粗大晶粒组织。2A01合金在退火状态下组织由α-Al、Al2Cu、Mg2Si、AlFeSi相组成,Al2Cu和Mg2Si是强化相,合金的塑性高,可在室温下镦成各种形式的铆钉,自然时效后仍有良好可铆性能。2A01合金是一种苏联特有的合金,中国的合金是从苏联引进的,因此它成为俄罗斯独特铆钉铝合金,欧美国家不用此合金。目前在新机种上已很少用此合金铆接,但是在小型航空器上与通用装备上仍在使用。
2A10合金
2A10合金:一种含3.9%Cu~4.5%Cu、0.30%Mn~0.50%Mn、0.15%Mg~0.30%Mg的Al-Cu-Mg系热处理可强化的专业铆钉线材合金,可自然时效强化也可以人工时效强化,是一种苏联合金,没有与之相当的欧美合金,中国的这个合金是从苏联引进的,苏联及俄罗斯的牌号为B65,它铜含量比2A01合金的高,并含有Mn,因此它的抗剪强度比2A01合金的高32%以上,可用它制造更高抗剪强度的铆钉,铆钉在热处理强化后铆接,铆接不受热处理后停放时间的影响。2A10合金在100℃以上加热以后有产生晶间腐蚀倾向,故其铆钉工作温度不宜超过100℃,铆钉应经过阳极氧化处理,并用重铬酸钾封孔。2A10合金的退火制度:350℃~410℃,保温1h~3h后,以不大于30℃/h的降温速度随炉冷至260℃后出炉空冷;固溶处理宜采用硝盐槽加热,温度515℃~520℃,保温30min~50min,室温水中淬火,人工时效(75℃±5℃)/24h,空冷,自然时效室温保持4d。2A10合金在退火状态下的组织由α-Al、Al2Cu、Mg2Si、AlMnFeSi,Al2Cu是主要强化相,在室温下具有良好的塑性,可用冷镦机制成各种形式的铆钉,铆钉的固溶热处理可参照2A01的进行。
2B16合金
2B16合金是一个Al-Cu-Mn系硬铝型专业铆钉合金,可热处理强化,有三种热处理制度,可以获得不同综合性能的铆钉,它的室温、高温抗剪强度比2A10合金的高,可在200℃或更高温度下长期使用,在热处理强化后有良好的可铆性能,它的合金化元素含量(质量%):Si0.25,Fe0.30,Cu5.8~6.8,Mn0.20~0.40,Mg0.05,V0.05~0.15,Ti0.08~0.20,Zr0.10~0.25。铆钉的热处理制度见表,固溶处理转移时间≤15S,其他事项可参阅2A10合金铆钉的。2B16合金线以冷作硬化状态成捆供应,直径6mm~10mm,其铆钉用于紧固航空航天器高温结构,如大型导弹及运载火箭,有良好的抗氧化性能。线材经165℃/12h人工时效后有晶间腐蚀倾向;但固溶处理后经1%~3%冷变形,再在175℃/18h人工时效仅有轻微晶间腐蚀;铆钉铆接前都应硫酸阳极氧化并用重铬酸钾封孔。2B16合金的组织为α-Al、Al2Cu、T(Al12Mn2Cu)、Al3Ti、Al3Zr、Al3V和AlFeMnSi等,当Si含量较多而Fe含量较少时,可能形成Al10Mn2Si,Al2Cu是主要强化相。2B16合金线材有良好的室温可塑性,用冷镦机可制成种种形式的铆钉,在热处理后有很好的可铆性,不受时效后停放时间影响,可在200℃左右长期工作,可替代2A10合金。2B16合金与美国的2219合金相当,俄罗斯的D20合金相当,中国的合金是从苏联引进的,此合金含Zr,在熔炼时可用Al-Zr中间合金加Zr,也可用采用氟锆酸钾加锆,在后一情况下,待其他炉料全部熔化后将熔体温度升至800℃以上再加K2ZrF6,熔化后降温至730℃~750℃,铸造温度控制在720℃~730℃,铸造直径162mm锭的速度为75mm/min~80mm/min。
7050合金
7050合金是7XXX系的Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化的超硬铝型高强度变形铝合金,主导产品为厚板(通常厚度≥15mm)、型材、锻件与铆钉线(一般直径≥3mm),但线材产量甚少,仅约1%。它的化学成分(GB/T3190,质量%):Si0.12,Fe0.15,Cu2.0~2.6,Mn0.10,Mg1.9~2.6,Cr0.04,Zn5.7~6.7,Ti0.06,Zr0.08~0.15,其他杂质0.05、合计0.15,其余Al。与7075合金相比,该合金增加了锌、铜含量,提高了Zn/Mg,并用Zr取代铬作为晶粒细化剂,而且大大减少了Si、Fe杂质含量,并在过时效状态下应用,因而既有高的强度性能,又有高的韧性、疲劳强度与抗应力腐蚀性能,还有良好的淬透性,是综合性能优秀的航空航天合金,用于制造飞机主承力构件如机身框、隔板、机翼壁板、翼梁、翼助、起落架支撑零件、铆钉等,温度升高合金的强度下降,长期工作温度不得超过125℃,是其缺点。该合金材料的不同状态分别适用于不同使用条件的受力构件:T76材料一般用于要求抗剥落腐蚀的高强度结构件;T74状态适用于高强度、抗应力腐蚀的结构件,特别是厚大截面的;T73状态主要用于高强度、抗腐蚀的铆钉。T73是一种过时效处理,即固溶处理后再进行过人工时效处理,强度在时效曲线上越过高峰值而具有高的抗应力腐蚀性能,专用于处理7050合金铆钉。
7050合金的基本相组成为α-Al和MgZn2,还有Al3Zr、Al2Cu2Fe、Mg2Si和Al13CuMg4等。弥散相Al3Zr呈球形,一般以亚稳定形式存在,只有在长时间高温退火后才能形成稳态的密排六方结构。T73是一种双级时效,先低温后高温,利用GP区的形核作用,则可获得弥散度高的η'或n相(MgZn2),此时材料的强度性能虽比T6状态的低15%左右,但抗应力腐蚀开裂(SCR)能力却大为提高。这种双级时效工艺是美国铝业公司1961年研发的,它使晶界析出相η'和η相聚集,破坏了它们的连续性,改善了组织,减少了应力腐蚀和剥落腐蚀敏感性,也提高了断裂韧性,与此同时晶内η'和η相质点粗化,因此在提抗蚀性的同时,却以牺牲15%左右的强度为代价,但是很值得。7050合金的双级时效制度:一级(110±5)℃/(6~8)h,二级(177±5)℃/(8~12)h,工厂可根据实情作适当改变。直径4mm的7050-T73合金铆钉线材的力学性能:抗拉强度Rm>490N/mm2,屈服强度Rp0.2>415N/mm2,伸长率A>11%,抗剪强度>290N/mm2。
中国虽然对7050-T73铆钉线材做了一些研发,但是尚未形成批量生产能力,下述生产工艺可供参考:圆锭Φ162mm×470mm,挤压筒直径170mm,挤压系数65.6,模孔数4,挤压残料厚度60mm,挤压温度350℃~430℃,挤压速度0.6m/min~3m/min。线材拉伸前应退火(370~390)℃/(1.0~1.5)h,随炉冷却到250℃出炉空冷。拉伸道次变形率10%~40%;对H13线材最后道次加工率为21%~36%,直径4mm线材尺寸精度-0.02mm~-0.04mm,T73线材的最终道次加工率21%~24%。
铆钉虽小作用大
也有短板需要补
在航空航天器制造中没有铝合金铆钉飞机就不能上天,航天器也不能升空遨游太空,许多机械装备与器械也成不了器。中国经过60年的发展已成为世界上最大的铝合金铆钉线材生产大国与最大的民用铝合金铆钉使用大国,但与美、法等国相比还有较大差距,成为强国任重道远。那么究竟还有哪些差距与短板需要补呢?有些线材中国还不能生产,有些虽能生产不是量不足就是质量达不到要求。
铝-锂合金、7050、7055合金铆钉线材不能生产
铝-锂合金是一类较为成熟的航空航天先进材料,用量在逐年快速上升,中国C919大飞机前机身等直段、A380飞机都是用此类合金制造的,中国用的Al-Li合金板材、挤压型材与连接用的铆钉全来自美国,A380飞机用的这类材料则是法国肯联铝业公司生产的,美国航空航天局(NASA)发射的奥利安(Orion)飞般乘务员舱(crew module)是用Al-Li合金厚板焊接的,A380飞机用的AirwareTM铝-锂合金零部件更是数不胜数,用的Al-Li合金铆钉数以十万个计。
7050、7055合金是一类新型的先进的Al-Zn-Mg-Cu系航空铝合金,中国虽已试制成功,但是尚未形成批量商业化生产,还是一类靠进口的主要材料,同时国产材料的价格比进口的还贵。所以我们面临的,一是要补短板,建设生产这类铆钉的项目,可建设独立的新项目,也可以建在原来的线材生产厂;二是大搞创新,想方设法降低生产成本,创新是降低成本的主要措施,也可以说是唯一的有效出路。
完善高强度铆钉合金线材生产工艺,降低成本
有些铆钉线材合金如2B16、5A05、5A06合金线材生产工艺比较复杂,为了确保质量、提高成材率、降低生产成本,提高产品市场竞争力,应严格管控生产工艺。
建设专业紧固件厂
紧固件品种很多,最常见的有螺钉、螺栓、螺帽、铆钉等,用的材料更是多种多样,有碳钢、合金钢、不锈钢、高温合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金、锆合金、铜及铜合金等等。当前,全世界的高档紧固件特别是航空航天器用的紧固件几乎为美国铝业公司垄断,在全世界各地有五六个独资生产厂,仅在中国江苏省苏州市有就有两个。这个状况极不正常,中国宜建专业紧固件厂,打破垄断,建立完整的铝工业体系。
责任编辑:李卓
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