深冷處理消除7A60鋁合金殘余應(yīng)力的研究

樊蕾，程紹楊

（中核（天津）機(jī)械有限公司，天津 300300）

1 深冷處理技術(shù)

材料冷卻至室溫后，繼續(xù)在室溫以下冷卻的處理方法稱為低溫冷處理技術(shù)[1]。根據(jù)所采用液氮的狀態(tài)，深冷處理的方式可分為如下兩種：

①液體法

將樣品直接浸入液氮中，使其迅速達(dá)到液氮溫度，在保溫一定的時間后取出，最后恢復(fù)至室溫。此種方法使樣品驟然降溫，會產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，對工件的熱沖擊較大，損害組織，在如此低溫下易造成部分材料的脆性斷裂，且溫度是不可控的，因此，這種工藝的可調(diào)性差[2]。

②氣體法

將液氮加熱使其汽化，利用液氮的汽化過程吸收熱量，以降低周圍環(huán)境的溫度。此種方法可使環(huán)境溫度達(dá)到液氮溫度，試樣沒有直接和低溫液氮接觸，而是間接地和低溫氮氣相接觸，因此，對工件不會產(chǎn)生熱沖擊[3]。

2 薄壁件加工變形原因分析

7A60鋁合金通過固溶強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度、高韌性的同時，也將產(chǎn)生較嚴(yán)重的淬火殘余應(yīng)力。在薄壁零件的加工中，90%以上的材料被切削加工去除，毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力得到大量的釋放與重新分布，且零件的剛性降低，零件在切削力、切削熱、切削振動及殘余應(yīng)力重新分布的影響下，產(chǎn)生整體或局部的彎曲、扭曲或彎扭組合的加工變形，使零件難以達(dá)到設(shè)計要求，甚至成為廢品，這是引起薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形問題的主要原因之一。鑒于固溶強(qiáng)化本身的工藝特點，排除了采用高溫去應(yīng)力退火的可能性，也難以通過機(jī)械拉伸、壓縮或振動等應(yīng)力消除方法取得比較理想的效果。鑒于鋁合金在低溫下反而具有良好的機(jī)械性能，因此，可以通過深冷處理改善鋁合金的材料性能與尺寸穩(wěn)定性。

3 7A60鋁合金液氮深冷試驗

為了驗證深冷處理對消除7A60鋁合金殘余應(yīng)力的效果，進(jìn)行如下試驗。采取的主要工藝路線是：淬火后的毛坯先自然冷卻至室溫，再利用液氮深冷至-90℃，保溫30min，然后進(jìn)時效爐升溫至135℃，保溫20min，出爐后自然冷卻至室溫，如此反復(fù)進(jìn)行3次[4]，如圖1所示。

圖1 7A60鋁合金深冷處理工藝曲線

圖2 檢測點位置分布示意圖

圖3 殘余應(yīng)力檢測結(jié)果對比圖

表1 未進(jìn)行深冷處理表面殘余應(yīng)力的檢測結(jié)果（單位：MPa）

表2 深冷處理后殘余應(yīng)力的檢測結(jié)果（單位：MPa）

深冷處理后，應(yīng)用X射線衍射法檢測毛坯表面的殘余應(yīng)力，與未進(jìn)行深冷處理的毛坯進(jìn)行對比（見表1和表2），檢測點位置分布如圖2所示。

由圖3可以看出，深冷處理后的毛坯表面殘余應(yīng)力分布比較均勻，峰值較低，而未進(jìn)行深冷處理的毛坯表面殘余應(yīng)力分布極不均勻，并且峰值較高[5]。

根據(jù)表1和表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得到：未進(jìn)行深冷處理的毛坯表面殘余應(yīng)力的均值和極差分別為：2=98.5MPa；2=86.1MPa；深冷處理后毛坯表面的殘余應(yīng)力均值和極差分別為：fffffc1=68.4MPa；fffffb1=28MPa。經(jīng)過深冷處理后，毛坯表面的殘余應(yīng)力均值和極差分別降低了30.6%、67.5%，根據(jù)殘余應(yīng)力幅度與加工變形線性相關(guān)的理論，可以肯定經(jīng)過深冷處理的毛坯加工后工件變形情況要優(yōu)于未經(jīng)過深冷處理的毛坯[6]。

4 結(jié)論

綜上所述，深冷處理可以有效地降低7A60鋁合金的殘余應(yīng)力峰值，并且使得殘余應(yīng)力分布更加均勻，從而可以有效地控制薄壁件的加工變形。