0 引言铝电解槽修槽时 ,需要将已渗铝的阴极碳块清除掉 ,碳块渗铝后人工清除十分困难 .抚顺铝厂在引进、消化日本进口液压胀裂机的过程中 ,针对原型机采用超高强度铝合金制造5 0Ｍｐａ高压缸筒的特点 ,采用国产Ｌｃ4超高强度铝合金材料为基础 ,通过调整和控制各种化学成分的配比以及优化时效工艺参数的方法 ,取代进口材料制造高压缸筒获得成功 ,解决了铝电解槽的修槽作业难题 ,本文对研制过程做一简要叙述 .图 1 高压缸筒零件简图 (单位 :ｍｍ)1 高压缸筒零件的外形和尺寸零件 (简图见图 1 )外形为圆柱体 ,回油孔 (长 /径比>6 0 )开在缸筒内部 ,考虑强度要求 ,在缸筒中心线和回油孔中心线平面内 ,活塞孔中心线偏离缸筒中心线 5ｍｍ ,且为盲孔 .应力集中部位较多 ,加工精度和表面粗糙度要求很高 ,材料要求具有很高的机械强度和抗应力腐蚀能力 .2 确定材料的化学成分和强化方法2 .1 确定材料的化学成分样机缸筒零件取样后作元素光谱分析 ,结果见表 1 .表 1 样件材料各化学成分的质量分数 ( % )ＺｎＭｇＣｕＳｉＦｅＣｒＭｎＴｉ+ＺｒＡｌ5.60 2 .4 81.62 0 .190 .2 2 0 .2 2 0 .2 80 .2 5剩余部分参照文献 <1 >,确定材料为日本ＪＩＳＡ70 75变形铝合金 .参考“各国变形铝合金牌号对照表”<1> ,我国Ｌｃ4铝合金相当于Ａ70 75变形铝合金 ,化学成分见表 2 .表 2 国产Ｌｃ4铝合金各化学成分的质量分数 ( % )ＺｎＭｇＣｕＣｒＭｎＦｅＳｉＡｌ5.0～ 7.0 1.8～ 2 .81.4～ 2 .0 0 .1～ 0 .2 50 .2～ 0 .6≤ 0 .5≤ 0 .5剩余部分 对照表 1和表 2看出 :国产Ｌｃ4铝合金各化学成分质量分数的范围比较宽 ,Ｆｅ、Ｓｉ的质量分数高于Ａ70 75 ,且不含Ｔｉ、Ｚｒ两种元素 .Ｌｃ4铝合金时效处理后的机械强度很高 ,但对应力腐蚀很敏感 ,很多时候在远低于强度极限的情况下失效 .因此应从化学成分的组成、质量分数以及时效工艺参数等方面来提高抗应力腐蚀性能 .Ｆｅ、Ｓｉ被看作是合金中的杂质元素 ,在铸造和热加工过程中形成粗大的金属间化合物 ,如Ａｌ7Ｃｕ2 Ｆｅ、Ｍｇ2 Ｓｉ等 .这些质点在加工产品中往往排列成串 ,即使在很低的应力条件下也容易破裂 ,成为应力腐蚀开裂的根源 .合金中的Ｆｅ和Ｓｉ主要来自铝锭和中间合金 .根据文献 <2 ,3>,当合金中的ＷＦｅ≤ 0 .1 0 %、ＷＳｉ≤ 0 .1 0 % ,即采用高纯铝制造合金时 ,抗应力腐蚀性能大大提高 ,但采用高纯铝则很不经济 .我国铝锭产品中Ｆｅ、Ｓｉ的质量分数普遍偏高 ,这主要与现有的以侧插槽为主的冶炼工艺和国产铝氧原料的纯度有关 .根据对不同铝锭产品的化学成分分析 ,采用上插槽冶炼工艺和用澳大利亚进口铝氧生产的铝锭 ,同等级铝锭中Ｆｅ、Ｓｉ杂质的质量分数要低一半左右 .因此决定采用上插槽冶炼工艺和进口铝氧生产的Ａ0 0 铝锭 (ＷＦｅ+Ｓｉ ≤ 0 .1 2 % )作为Ｌｃ4铝合金的基础材料及配制中间合金 ,把Ｆｅ、Ｓｉ杂质元素的质量分数控制在很低的水平 ,使有害的金属间化合物减至最低程度 .过渡族元素Ｃｒ、Ｍｎ在合金中形成中等尺寸的金属间化合物 ,如Ａｌ2 0 Ｃｕ2 Ｍｎ3、Ａｌ12 Ｍｎ2 Ｃｒ等 ,使Ｌｃ4铝合金在挤压时晶粒作高度定向流动 ,对抑制晶粒的再结晶和长大有利 .但ＷＭｎ偏高易使质点与基体脱键形成空洞 ,与粗大的金属间化合物结合 ,使抗应力腐蚀性能降低 .有资料<2 > 表明 :合金中加入Ｚｒ形成的ＺｒＡｌ3化合物尺寸较小 ,比加Ｃｒ、Ｍｎ等元素控制晶粒的大小和形状有较大作用 .Ｔｉ加入 0 .1 %时可使基体金属组织强烈细化 .Ｚｒ、Ｔｉ两种元素还可以同时消除铸锭金属组织中的羽毛状晶和挤压表面组织的粗晶环 .Ｚｎ、Ｍｇ是主要强化元素 ,Ｃｕ可起补充强化作用 .增加Ｚｎ、Ｍｇ和Ｃｕ ,合金具有更强烈的时效强化效果 ,但抗应力腐蚀性能下降 .ＷＭｇ<2 .4%时铸锭具有很大的热裂纹倾向 ,ＷＣｕ>1 .6 %时会明显增加铸造的热脆性 .因此将合金中Ｚｎ和Ｃｕ的质量分数控制在中下限 ,Ｍｇ的含量控制在中上限 .调整后Ｌｃ4铝合金中各化学成分的质量分数如下 :ＷＺｎ=5 .1 %～ 6 .1 % ＷＭｇ=2 .3%～ 2 .8% ＷＣｕ=1 .4%～ 1 .7% ＷＦｅ≤ 0 .1 5 %ＷＳｉ≤ 0 .1 5 %ＷＣｒ=0 .1 8%～ 0 .30 %ＷＭｎ≤ 0 .30 %ＷＴｉ≤ 0 .1 0 %ＷＺｒ=0 .0 8%～ 0 .1 8%ＷＡｌ=余量将低Ｆｅ、Ｓｉ的Ａ0 0 铝锭和调整后的各化学成分配比委托东北轻合金加工厂精炼 ,并考虑以后的挤压工序 ,铸造成Ф483ｍｍ× 1 0 0 0ｍｍ的铝合金锭 .2 .2 材料的强化方法2 .2 .1 挤压强化效应根据文献 <4 >,Ｌｃ4铝合金铸锭经热挤压、淬火和时效后的纵向机械性能 (σｂ,σ0 .2 )比用轧制方法得到的制品要高 1 2 %左右 .这主要由于铸锭在加热和挤压的双重作用下 ,将晶格边界上的粗大质点压碎并消除微小气孔 ,以及晶粒被拉长后使变形抗力增加 ,产生挤压强化效应 .为提高缸筒热处理后的机械性能 ,铸锭通过热挤压成Ф1 6 0ｍｍ棒材 .2 .2 .2 时效强化效应Ｌｃ4铝合金经过淬火和人工时效后使材料性能改变的程度 ,主要取决于人工时效的温度和方法 ,一般是在一种温度或两种温度下适当保温 .如果采用单级时效 ,即Ｔ6状态 ,合金中沉淀出细小均匀的沉淀相 ,具有很高的强度 ,但同时对应力腐蚀也很敏感 ,这与细小质点受力后 ,在平面应变条件下易于引起局部滑移 ,并扩展到裂纹前的金属间化合物处而引起提前开裂有关 .这一作用通常对单级时效达到最高强度时的合金影响最大 .若采用双级时效 ,即Ｔ73状态 ,可获得双相沉淀物组织 ,其中的粗大沉淀相可以改善抗应力腐蚀性能 ,但使合金的机械强度下降 1 5 %左右 .根据文献 <2 >,采用回归和再时效的方法 ,可使合金在保持Ｔ6状态强度水平的同时 ,具有Ｔ73状态的抗应力腐蚀性能 .即在 2 0 5℃～ 2 6 0℃之间进行短时回归处理 ,水冷 ,然后在 1 2 0℃时人工时效 .第一次回归处理使预先存在的ＧＰ区部分溶解 ,但晶格边界上的粗大沉淀相没有改变 ,剩余的ＧＰ区则作为形核区 .而ＧＰ区的溶解又使基体中Ｚｎ、Ｍｇ的质量分数增加 ,反过来又促进η′相的形核 ,获得更加弥散分布的细小η′相 .结果 ,共格的细小沉淀物有助于提高强度 ,而略微粗大的晶界沉淀物则提高了抗应力腐蚀性能 .3 实验数据及使用结果优化处理的Ｌｃ4试件在短时回归、 1 2 0℃人工时效和普通Ｌｃ4试件单级时效处理后的数据见表 3.表 3 不同Ｌｃ4合金在不同时效处理方法后的机械性能和抗应力腐蚀性能合金类型 σｂ/Ｍｐａσ0 .2 /Ｍｐａ Ｋ1Ｃ/Ｍｐａ .ｍ1/2 (纵向 )Ｋ1Ｃ/Ｍｐａ .ｍ1/2 (横向 )优化处理的Ｌｃ4试件 580 50 7 36.2 2 8.6普通Ｌｃ4试件 597 52 0 2 8.12 0 .6 可以看出 :在不降低强度指标的情况下 ,优化处理的Ｌｃ4铝合金材料在抗应力腐蚀性能方面有了较大提高 ,平均提高 33.4% ,纵横两个方向的各向异性也有所减少 ,性能接近于美国铝业 71 75高韧性铝合金 .用优化处理的Ｌｃ4高强度铝合金材料制造的高压缸筒通过了由长沙有色冶金研究院进行的 1 2 5 %最高工作压力下的三向应变测试 .首批生产的 1 0台液压胀裂机分别在青海、青铜峡、贵州、郑州、山东和抚顺等铝厂使用 ,在气候多变等恶劣作业环境下 ,高压缸筒在三年的设计服役期内没有发生过应力失效 .4 结论通过减少杂质元素、添加少量细化晶粒元素和控制元素含量范围以及优化时效工艺参数的方法 ,使Ｌｃ4铝合金的材料性能得到了改善 ,抗拉强度接近于甚至超过普通碳素结构钢 ,抗应力腐蚀性能有了很大提高 .为进口设备材料国产化提供了一种可供借鉴的方法 ,对提高我国有色冶金产品的质量也有一定的参考价值 .国产液压胀裂机的研制成功填补了国内同类产品的空白 ,使铝电解槽的修炉作业向机械化操作迈进了一大步 ,减轻了工人的劳动强度 ,而价格仅为进口同类产品的四分之一 .国产Lc4超高强度铝合金材料制造高压缸筒的研究@孙长久$集美大学机械工程学院!福建厦门 361021超高强度铝合金;;化学成分;;杂质;;人工时效简要介绍了在引进和消化进口液压胀裂机的过程中,以国产Lc4超高强度铝合金材料为基础 ,通过调整和控制各种化学成分的配比和优化时效工艺参数的方法取代进口材料制造高压缸筒的研究方法 ,并给出一些关键的工艺参数 .<1>邢淑仪 ,王世洪 .铝合金和钛合金
.北京 :机械工业出版社 ,1987.
<2 >国外热处理 (有色金属热处理 ) .上海市机械工程学会热处理分会译 .上海 :上海科学技术出版社 ,1982 .
<3>IJpolmear .LightAlloys MetallurgyoftheLightMetals .London :EdwardArnold ,1982 .
<4 >轻金属材料编写组 .轻金属材料加工手册 (下册 ) .北京 :冶金工业出版社 ,1980 .Ｎ?.如果采用单级时效 ,即Ｔ6状态 ,合金中沉淀出细小均匀的沉淀相 ,具有很高的强度 ,但同时对应力腐蚀也很敏感 ,这与细小质点受力后 ,在平面应变条件下易于
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