齐跃，余传魁，张晓斌，张槐，高伟，周颖

航天精工股份有限公司 天津 300300

1 序言

铝合金具有耐蚀性好、比强度高等多种特性，使其在工业及民用领域得到广泛应用。在航空航天领域中，铝合金已经成为飞机和航天器轻量化的首选，用量为70%～80%。铝合金铆钉，也作为主要的连接件得到大量的应用[1，2]。

在生产中发现，铝合金铆钉在热处理之后，力学性能波动较大，特别是冬、夏季节的性能差异尤为明显，给热处理过程的质量控制造成不小的麻烦。经调查发现，LY10铝铆钉的一次固溶合格率仅为93.4%，返工返修时有发生，有些铝合金铆钉甚至经过了2次重新固溶，这对铝合金的性能产生了不良的影响。进一步研究发现，铝合金产品在固溶过程中，其性能受到的影响因素主要有表面状态、固溶温度、固溶保温时间、淬火转移时间、冷却水温度、淬火浸泡时间、固溶与时效的时间间隔、时效温度以及时效保温时间等9类。

为彻底解决铝合金铆钉在热处理过程中的质量控制问题，本工作以LY10铝铆钉产品作为研究对象，针对以上9类影响因素进行了工艺优化及精细控制，全面分析了铝合金热处理工艺过程中的控制要点，提高了铝合金铆钉热处理后剪切性能的稳定性，实现了铝合金铆钉热处理过程的工艺精细控制。

2 材料基本信息

LY10（又称2A10）是铝-铜-镁系硬铝合金。经过固溶热处理加人工时效或自然时效强化，用于制造较高强度的铆钉。铆钉在热处理强化后，铆接不受热处理后停留的时间限制[3]。

材料所属的标准GJB 2055—1994《铝及铝合金铆钉线材规范》，热处理所属标准为GJB 1694—1993《变形铝合金热处理规范》以及参考AMS 2770—2014《变形铝合金零件热处理规范》（《Heat Treatment of Wrought Aluminum Alloy Parts》）。LY10材料的化学成分见表1。

表1 LY10合金化学成分（质量分数） （%）

3 热处理过程中主要影响因素识别及分析

3.1 热处理过程排查及识别影响因素

对热处理过程进行梳理，通过热处理特殊过程质量控制管理办法，将人、机、料、环、测等除工艺以外的影响因素进行控制，将工艺控制作为研究的主要内容，识别出9大主要因素，见表2。

3.2 影响因素的控制方案

（1）固溶保温时间及其选择原则 固溶保温时间的选择原则是在正常固溶处理温度下，使强化相达到满意的溶解程度，并使固溶体充分均匀及晶粒细小。铝合金的淬火保温时间主要是根据淬火加热温度、产品的尺寸、加热方式、加热介质和装炉量的多少，以及产品要求的性能等因素来确定。

本试验设立对比方案2组，一组按照产品规格确定保温时间，另一组按照产品装炉厚度确定保温时间，见表3。

经过对比可以发现，固溶保温时间短（40min）或固溶保温时间长（90min）都会出现铝合金强度下降的问题，但是固溶保温时间短的影响更加突出。

（2）淬火转移时间 淬火转移时间是把材料从淬火加热炉中转移到淬火水槽中的时间，即从固溶处理炉炉门打开到制品全部浸入淬火介质所经历的时间。淬火转移时间对材料的性能影响很大。因为产品出炉后，温度会迅速降低，所以转移时间的影响与降低平均冷却速的影响相似。为了防止过饱和固溶体发生局部的分解和析出，使淬火和时效效果降低，淬火转移时间应越短越好。应特别指出，淬火转移时间的长短对高强和超高强等淬火敏感性强的合金的力学性能、抗蚀性能和断裂韧度的影响很大，因为强化相容易沿晶界首先析出，使上述性能下降，对于这样的合金更应严格控制淬火转移时间。

表2 工艺控制影响因素

表3 固溶保温时间及其剪切性能

本试验对淬火转移时间进行了对比研究，结果发现，淬火转移时间为25s时的铆钉剪切强度比淬火转移时间为6s的铆钉剪切强度低了超过20MPa，并且在试验的57组中，有7组剪切性能不能满足标准要求的245MPa，产品不合格率为12.28%。而转移时间为6s以内的铆钉，合格率为100%。

（3）固溶与时效的时间间隔 固溶与时效的时间间隔即从淬火到人工时效之间停留时间的影响。研究发现[4]，某些铝合金（如Al-Mg-Si系合金）在室温停留后再进行人工时效，合金的强度指标达不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101铸造铝合金，淬火后在室温下停留一天后再进行人工时效，强度极限较淬火后立即时效的要低10～20MPa，但塑性要比立刻进行时效的铝合金有所提高。

本试验对LY10铝铆钉固溶与时效的时间间隔的影响进行了实际的验证，试验时，控制其他参数保持一致，试验结果见表4。

表4 固溶与时效的时间间隔对LY10铝铆钉剪切性能的影响

由表4可知，固溶与时效的时间间隔对LY10铝合金的剪切性能无影响。

（4）对影响因素采取的控制方案 对识别出的影响因素采取表5中所示的控制办法，冷却水温度作为唯一变量做进一步研究。

试验组设置正交试验方法，对不同规格的产品在相同淬火冷却介质温度以及同种规格在不同淬火温度热处理的性能进行分析，获得试验数据分布，如图1所示。从图1中可以获得以下信息。

表5 对影响因素的控制

图1 冷却水温度影响性能曲线分析

1）不同规格产品在同一冷却温度区间剪切强度相差很大。

2）同种规格产品在不同冷却温度区间性能随温度升高呈下降趋势，尤其在临界值245MPa左右出现不合格的概率增大。

对不同规格的产品的性能差异进行了原因分析，结果发现，铝合金原材料的晶粒度差异是造成性能差异的最主要原因，如图2所示。

4 工艺优化及其效果评估

经过工艺优化，获得的优化效果见表6。

图2 不同规格原材料晶粒度对比

表6 改善前后的质量稳定性数据对比表

5 结束语

LY10（2A10）具有较高的剪切强度，在热处理后铆钉不受停留时间限制（即：固溶与时效时间间隔），材料耐蚀性与LY1（2A01）、LY12（2A12）相同，可以代替2A01、2A11、2A12等合金制造铆钉。同时，该合金具有良好的抗氧化性能，在固溶+时效状态无晶间腐蚀倾向，但加热温度超过100℃后，会产生晶间腐蚀倾向。

LY10铆钉在进行热处理时，应该关注以下几点影响因素。

1）选择适当的固溶保温时间，保温过长会导致晶粒粗大以及过热过烧等缺陷；保温过短，会影响固溶效果，导致产品剪切性能偏低。应根据进行热处理零件的最大厚度，选择合适的保温时间。

2）控制合适的冷却水温度，当水温高时，产品的性能偏低，可能会出现性能不合格的现象；水温越低，强度呈现越高的趋势，但控制困难，生产成本会大幅增加。因此，应将冷却水温度控制在15℃以下为宜。

3）将前面叙述的9大因素进行精细、精准控制，可以显著提高铝合金产品的一次固溶合格率，并且可以有效控制产品的性能稳定，达到质量稳定和降本增效的目的。