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热处理工艺对高压气瓶内胆性能的影响探讨

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摘要:主要介绍了6061铝合金的塑性成形技术和热处理技术,并分析这两种技术对高压气瓶性能的影响。此外,对各种固溶时效模式下制造的高压气瓶铝内胆进行拉伸试验,测得内胆的抗拉强度、屈服强度和延展率;并研究了在不同的热处理时间和温度下内胆性能的改变。

关键词:热处理;固溶时效处理;拉伸强度;屈服强度;高压气瓶

0引言

目前,高压气瓶在航空航天、建筑、汽车制造等领域都得到广泛的应用,所以工程中对高压气瓶制造技术的要求越来越严格,企业需要制造性能更好、使用寿命更长、成本更低的高压气瓶以满足市场需求。影响高压气瓶寿命和制造成本的因素包括材料的塑性成形工艺、热处理工艺、旋压收口工艺和纤维铺层等。由于铝合金具有良好塑性成形技术,因此其逐渐取代了钢材作为内胆材料。高压气瓶的热处理技术是指固溶时效处理,在高压气瓶的制造中,固溶时效热处理可提高高压气瓶内胆的塑性成形能力和强度。

16061铝合金塑性成形性能

为了提高高压气瓶的寿命和工作压力,在高压气瓶的制造过程中,需要对其进行自紧。当对高压气瓶施加自紧压力(约为1.5倍的工作压力)时,如果自紧压力超过内胆的屈服极限,内胆将发生塑性变形[1]。因为自紧,所以选取具有良好的塑性成形能力的6061铝合金作为内胆材料。6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品,具有加工性能极佳、抗腐蚀性良好、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷、氧化效果极佳等优良特点。6061除了含有镁和硅两种合金元素,还含有一定的锰与铬,能够抵抗铁的坏作用;此外,有时还含有少量的铜或锌,可以提高合金强度。由于6061铝合金优良的塑性加工性能,因此各国的制造企业普遍采用6061铝合金作为CNG-3型气瓶的内衬,其作用主要包括两方面:①支撑芯模,为外层纤维提供形状芯模以及缠绕时作为支撑工装;②防止渗漏,为瓶内高压存储的气体介质提供密封内衬,以及为瓶口阀门连接提供金属螺纹密封。内衬的主要机械加工成形过程为:铝锭挤压拉伸成杯形体→旋压减薄→齐口裁切→旋压收口→热处理→螺纹加工。可见,内衬塑性加工的步骤较多,且变形较大。另一方面,作为特种设备的高压气瓶,需要在服役期内经受多达15000次以上的高低压充装过程,且不得出现泄漏和开裂失效。由此可见,内衬的塑形加工质量是气瓶整体使用性能的重要保障,使用6061铝合金作为内胆,不仅可提高高压气瓶的使用寿命,而且节约了原材料。

2热处理工艺分析

热处理技术对高压气瓶的寿命有着很大的影响。对铝内胆的设计要求为:抗拉强度大于325MPa,屈服强度大于276MPa,延伸率大于12%,对所选的6061铝合金内胆进行固溶时效处理[2]。铝合金的固溶热处理是将铝合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶解并快速冷却的热处理工艺方法。在固溶过程中,使各相成分相互溶解,强化固溶体,消除软化。进行固溶热处理主要是为了改善铝合金的韧性和塑性并为以后沉淀硬化处理做准备。铝合金热处理中的固溶热处理和钢的淬火在工艺上是相似的,淬火是为了获得马氏体,从而提高工件的强度和硬度,往往与回火在一起成为一道工序,而固溶热处理主要为了消除析出相。时效热处理分为自然时效和人工时效[3]两种方法,自然时效是将工件置于露天的场地半年以上,使其慢慢地发生变形,从而使残余应力减少或消除;人工时效是将铸件加热到550℃~650℃进行残余应力去除,它比自然时效去除应力的时间短,去除的较为彻底,获得的零件性能更好,所以在铝内胆热处理时采用人工时效方法。时效强化是铝合金在固溶热处理后进行的,可以很大程度地提高铝合金的强度,固溶时效强化是高压气瓶制造中重要的技术之一。

3热处理工艺对铝内胆性能的影响

固溶时效处理影响着铝合金内胆的力学性能,本文对不同的固溶时效热处理模式下制造的高压气瓶进行拉伸试验,测试内胆的抗拉强度、屈服强度、延展率。

4结论

本文分析了6061铝合金的塑性成形技术和热处理技术与高压气瓶内胆性能的关系,研究了固溶时效热处理工艺对高压气瓶内胆性能的影响,并选择合适的固溶时效热处理,使所试制的高压气瓶金属内胆能够获得更好的性能,对于低压或高压气瓶的制造都有很大的帮助,降低了在制造过程中的不良品率,节约了成本,提高了气瓶内胆的使用寿命。参考文献:[1]王社.材料力学[M].西安:西北工业大学出版社,2016.

[2]方昭剑,张明远.工程材料与热加工基础[M].北京:北京理工大学出版社,2016.

[3]张漩.铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶结构分析与研究[D].长沙:国防科技大学,2007:1-40.

作者:陈瀟洒;卢敏 单位:南京航空航天大学

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