熱處理加工工藝對(duì)楔環(huán)性能的影響

姚賽，劉帥，楊小芳

上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108

1 序言

薄壁圓筒殼體之間常見(jiàn)的連接方式有螺釘連接、螺紋連接、卡箍連接與楔環(huán)連接等。楔環(huán)連接具有結(jié)構(gòu)緊湊、徑向空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)連接后外表面光滑，有利于減小流體阻力及噪聲，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于魚(yú)雷、導(dǎo)彈及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等圓柱殼體的連接中[1，2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)楔環(huán)的研究不斷深入。馬銳磊、尹韶平等[3]通過(guò)運(yùn)用有限元分析法研究了楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)雷殼體聲輻射的影響。黃鵬等[4，5]利用參數(shù)化有限元方法，通過(guò)對(duì)楔環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，獲得提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化方案。陳少?gòu)?qiáng)等[6]從拆裝方便、提升保障能力的角度，提出了一種魚(yú)雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。雖然現(xiàn)有學(xué)者對(duì)楔環(huán)展開(kāi)了大量研究工作，但大多研究楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、楔環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及楔環(huán)對(duì)圓形設(shè)備某些性能的影響等，而對(duì)楔環(huán)加工制造工藝研究較少，且基本集中在楔環(huán)機(jī)加工方面（如過(guò)群輝[7]闡述了某水下航行殼體楔環(huán)內(nèi)外止口的兩種加工工藝方法），鮮有對(duì)楔環(huán)材料的熱處理工藝進(jìn)行研究。

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造難度相對(duì)較大，裝配時(shí)需使用專用工具，拆裝次數(shù)不宜過(guò)多[8]。楔環(huán)在裝配和拆卸過(guò)程中，容易造成變形損壞，這對(duì)楔環(huán)的材料有著較高要求，如具有較高的強(qiáng)度與硬度，能夠承受一定的作用力且具有一定的耐磨性，同時(shí)具有良好的韌性，在多次拆裝后不會(huì)變形損壞等，即楔環(huán)材料要具有良好的綜合力學(xué)性能。為此，本文參考GJB 819——1990《楔環(huán)連接》技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)了適用于外徑180mm殼體的楔環(huán)結(jié)構(gòu)，著重研究楔環(huán)材料的熱處理工藝對(duì)其力學(xué)性能的影響，并通過(guò)實(shí)際加工制造驗(yàn)證熱處理工藝的可行性。

2 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)內(nèi)殼體、環(huán)外殼體及一對(duì)楔環(huán)等，如圖1所示。其中，環(huán)內(nèi)殼體有一外環(huán)形槽，環(huán)外殼體有一內(nèi)環(huán)形槽。當(dāng)內(nèi)外殼體連接時(shí)，會(huì)在內(nèi)部形成一矩形截面的環(huán)形空腔。一對(duì)楔環(huán)則是矩形截面的環(huán)形金屬帶，分別從外殼體的安裝孔處以相反的方向裝入環(huán)形空腔內(nèi)。

圖1 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)及展開(kāi)示意

殼體安裝完成后，依靠楔環(huán)傳遞軸向力，為防止楔環(huán)松脫，楔環(huán)的拼合面斜度即α角應(yīng)滿足小于滑動(dòng)自鎖角αcr，即

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取H/（πDm）的值為0.1[4]，即

本文試制加工的楔環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸取值如下：α＝1.33°，H＝12.5mm，b＝2.8mm，L＝499.6mm，Dm＝φ169mm。該楔環(huán)適用于外徑180mm的圓筒殼體連接。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 楔環(huán)材料

7XXX系（Al-Zn-Mg-Cu系）合金具有高比強(qiáng)度、高韌性，良好的耐磨性、耐蝕性，以及很好的焊接能力和加工性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、軍工裝備等領(lǐng)域[9-11]。因此，楔環(huán)的材料選用7XXX系鋁合金，不僅可以滿足強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，而且良好的塑韌性使得楔環(huán)在多次裝卸過(guò)程中不易發(fā)生變形及損壞。7XXX系鋁合金可通過(guò)熱處理強(qiáng)化，合金強(qiáng)度、韌性均可通過(guò)控制熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

本文制造加工楔環(huán)的原材料為φ180mm×100mm的7075鋁合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 熱處理工藝

7075鋁合金是典型的熱處理強(qiáng)化合金，合適的熱處理工藝可以改善組織不均勻性，改變析出相的成分與尺寸大小，從而提高材料的力學(xué)性能。其主要熱處理工藝包括固溶處理、時(shí)效處理、均勻化退火、回歸再時(shí)效等。其中，固溶處理和時(shí)效處理對(duì)鋁合金性能影響最大。

隨著固溶溫度與時(shí)間的提高，合金中的粗大第二相與一些難溶相逐漸溶于基體中，形成過(guò)飽和固溶體。合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及顯微硬度均呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)。7075鋁合金適宜的固溶處理工藝為（470±5）℃×1h[12]。故本次楔環(huán)固溶處理工藝為（470±5）℃×1h，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間＜10s，淬火水溫＜25℃。固溶處理完成后，將原材料先進(jìn)行粗加工。

鋁合金具有很強(qiáng)的析出強(qiáng)化效果，有效改變晶界和晶內(nèi)析出相的尺寸與形貌，調(diào)控合金強(qiáng)度與耐蝕性[12]。常見(jiàn)的時(shí)效處理工藝有單級(jí)時(shí)效、雙級(jí)時(shí)效與回歸再時(shí)效。本次7075鋁合金材料熱處理工藝包括單級(jí)時(shí)效與雙級(jí)時(shí)效，具體楔環(huán)加工工藝見(jiàn)表2。

表2 楔環(huán)加工工藝

3.3 試驗(yàn)方法

試樣的顯微維氏硬度按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)試樣取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

試樣的拉伸性能按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)量。

試樣的夏比沖擊韌度按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)量，每種熱處理工藝共測(cè)試3個(gè)試樣。

4 結(jié)果及分析

圖2所示為不同熱處理工藝下的楔環(huán)材料的顯微維氏硬度值。由圖2可知，A工藝材料的顯微硬度平均值為158.5HV，經(jīng)固溶＋單級(jí)時(shí)效處理（B工藝），顯微硬度平均值提高至179.6HV，固溶＋雙級(jí)時(shí)效處理（C工藝），顯微硬度平均值降低至149 HV。

圖3所示為不同處理工藝下材料的拉伸性能。由圖3可知，經(jīng)固溶＋單級(jí)時(shí)效處理（B工藝），材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率較A工藝分別提高35MPa、29MPa與0.5%，達(dá)到542MPa、442MPa與10%。而經(jīng)固溶＋雙級(jí)時(shí)效處理（C工藝），材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分別較A工藝降低19MPa、9MPa與1%，達(dá)到488MPa、404MPa與8.5%。

圖2 不同工藝后試樣顯微硬度

圖3 不同工藝后試樣拉伸性能

圖4所示為不同處理工藝下材料的夏比沖擊吸收能量值。由圖4可知，A工藝材料的夏比沖擊吸收能量平均值為6.3J，經(jīng)固溶＋單級(jí)時(shí)效處理（B工藝），夏比沖擊吸收能量平均值為2.3J，經(jīng)固溶＋雙級(jí)時(shí)效處理（C工藝），夏比沖擊吸收能量平均值為7J。

圖4 不同工藝后試樣夏比沖擊性能

固溶處理使得組織中大部分粗大第二相逐步溶入基體中，但不會(huì)完全消失；淬火后形成不穩(wěn)定的過(guò)飽和固溶體。時(shí)效處理就是過(guò)飽和固溶體析出的過(guò)程，不同的時(shí)效溫度與時(shí)間，使得固溶體分解的程度不同，從而析出的相也不同。

7XXX系鋁合金時(shí)效析出過(guò)程為：α-Al過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→η"亞穩(wěn)相（MgZn2）→η平衡相（MgZn2）。GP區(qū)是首先分解的產(chǎn)物，與基體共格，球形。η"相為MgZn2的過(guò)渡相，與基體保持半共格關(guān)系，為圓片狀、片狀或針狀。η相為MgZn2的平衡相，與基體保持非共格，呈板條狀。

時(shí)效溫度較低時(shí)，主要析出相為GP區(qū)；時(shí)效溫度較高時(shí)，主要析出相為η"相。當(dāng)采用單級(jí)時(shí)效（150～200℃×10h）時(shí)，認(rèn)為組織中晶內(nèi)析出相主要為彌散的GP區(qū)與η"相及少量的η相，η"相逐漸增多，強(qiáng)化效果增強(qiáng)，強(qiáng)度與硬度也逐漸提高。因此B工藝材料的強(qiáng)度與硬度值增加。但此時(shí)晶界應(yīng)為連續(xù)鏈狀的析出物，具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性和較低的斷裂韌度。

當(dāng)采用雙級(jí)時(shí)效（C工藝）時(shí)，即低溫預(yù)時(shí)效與高溫時(shí)效，第一階段（100～150℃×8h）晶內(nèi)會(huì)形成大量細(xì)小彌散的GP區(qū)，這些析出相會(huì)優(yōu)先成核轉(zhuǎn)化成η"相。第二階段（150～200℃×10h），晶內(nèi)主要會(huì)形成GP區(qū)和η"相，晶界上主要會(huì)形成η相。合金經(jīng)雙級(jí)時(shí)效后，由于時(shí)間較長(zhǎng)，析出相發(fā)生聚集與長(zhǎng)大，此時(shí)主要強(qiáng)化相為η"相與η相。由于析出相長(zhǎng)大傾向嚴(yán)重，尺寸較大，因此降低了材料的強(qiáng)度與硬度。

但基體沉淀相（MPt，GP區(qū)和η"相）尺寸細(xì)小，彌散度高，鋁合金強(qiáng)韌化效果好，抗腐蝕性能也提高。晶界上連續(xù)網(wǎng)狀的析出相再變形過(guò)程中會(huì)阻礙晶粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料的塑韌性不利。而晶界沉淀相（GBP，多為η相）呈現(xiàn)不連續(xù)分布，因而提高了材料的斷裂韌性與抗應(yīng)力腐蝕性能。因此C工藝試樣的沖擊韌度略有提升。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)合理選擇時(shí)效溫度與時(shí)間，以達(dá)到使用性能的良好匹配，充分發(fā)揮材料性能。

楔環(huán)在拆裝時(shí)，要將自身的彎曲半徑改變，承受較大的彎曲應(yīng)力與摩擦力；當(dāng)楔環(huán)裝入環(huán)內(nèi)外殼體較多時(shí)，環(huán)外殼體的內(nèi)壁會(huì)將彎曲半徑變大的楔環(huán)再約束回自身的彎曲半徑。因此，楔環(huán)材料應(yīng)具有良好的強(qiáng)度與韌性，能多次形變后復(fù)原且不會(huì)斷裂。同時(shí)，該楔環(huán)應(yīng)用于海洋環(huán)境中的某水下航行器連接結(jié)構(gòu)中，應(yīng)具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。因此綜合表現(xiàn)來(lái)看，C工藝為最適宜的加工工藝。

C工藝加工的楔環(huán)如圖5所示，經(jīng)拆裝多次試驗(yàn)，滿足使用條件。

圖5 楔環(huán)加工實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

1）固溶＋單級(jí)時(shí)效處理（B工藝）可提高7075鋁合金的拉伸性能與硬度；而固溶+雙級(jí)時(shí)效處理（C工藝）則會(huì)降低材料的拉伸性能與硬度。

2）7075鋁合金加工楔環(huán)時(shí)，最佳熱處理工藝為（470±5）℃×1 h ＋（100～150）℃×8 h ＋（150～200）℃×10 h。

3）雙級(jí)時(shí)效后，7075鋁合金強(qiáng)度與硬度略有下降，但會(huì)提高材料斷裂韌度。