鋁合金彈底產生缺陷原因分析

褚小菲，楊有才，石燕，柯美武，馮軍海，毛永，張然

豫西工業集團河南北方紅陽機電有限公司 河南南陽 474678

1 序言

鋁合金比強度高，具有較好的耐腐蝕性能和較高的韌性且易于加工，廣泛應用于各種飛機、導彈和火箭的高強度結構零件，是航空航天領域的重要材料。豫西工業集團河南北方紅陽機電有限公司某型號產品彈底采用7A04鋁合金擠壓而成，其中一爐產品在熱處理后發現彈底存在缺陷，彈底口部有起層、掉渣現象，外表面錐體部分可見沿圓周形成環狀裂紋，內孔圓弧過渡處也發現有沿圓周形成的環狀裂紋，為了找出引起彈底缺陷的原因，對鋁合金彈底產生缺陷原因進行了分析。

2 故障分析及定位

結合彈底加工過程，按故障樹分析法，對彈底缺陷進行分析，列出故障樹如圖1所示，并對故障樹上影響彈底質量的因素進行逐一排查。

圖1 彈底缺陷故障樹

（1）人員 操作人員經培訓考核，做到了持證上崗，均是有經驗的操作工。

（2）原材料 原材料為7A04棒料，進廠驗收化學成分、力學性能、金相組織、低倍組織均合格。

（3）工藝 彈底加工工藝使用多年，沿用至今，工藝參數合理、有效。工藝流程：生產前準備→上料→模鍛→粗加工→熱處理→精加工；鋁合金熱處理方式為T6處理，其中固溶處理的淬火溫度為470℃。

（4）設備 對熱處理設備進行排查，經詢問操作工得知本爐彈底出爐時工件顏色通紅，而以前未出現此現象。

（5）故障定位 結合故障樹進行排查分析，排除了人員、材料、工藝方面可能存在的問題，基本確定彈底缺陷是由于熱處理設備存在問題引起的。

3 理化檢驗

為了查找缺陷原因，挑選缺陷明顯的彈底解剖進行理化檢驗。

（1）宏觀觀察 沿彈底軸線剖開，根據 GB/T 3246.2—2012 《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法第2部分：低倍組織檢驗方法》規定要求，對失效鋁合金彈底進行低倍組織分析，浸蝕后發現試面上存在大量裂紋，在內壁圓弧過渡處分別有向內延伸的裂紋。同時，外圓錐表面發現有2.5mm深的粗晶環，粗晶環與基體交界處存在裂紋，底面心部有縱向裂紋。

（2）顯微組織分析 在彈底圓弧過渡處取金相試樣，根據 GB/T 3246.1—2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法 第 1 部分：顯微組織檢驗方法》規定要求，對試樣磨制后，用混合酸水溶液進行腐蝕，顯微組織如圖2所示，經觀察試樣顯微組織中出現復熔共晶相，并存在大量的與復熔三角形相近的組織特征，且富集在晶界上，具有晶界加寬的特征，是典型的過燒組織[1]。

圖2 彈底顯微組織

4 爐溫檢測

為了查找過燒原因，依據GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》對熱處理爐裝料時爐內溫場進行檢測，測試設備的5號測點與熱電偶連接，其余5個測點放置于工件處，測點位置如圖3所示。

圖3 爐溫檢測位置

按圖3放置測點對熱處理爐爐內溫場進行檢測，爐溫設定為470℃，保溫70min，記錄各個測點溫度變化情況，檢測結果見表1。

表1 熱處理爐爐溫檢測結果 （℃）

檢測結果：爐內最高溫度與最低溫度相差超過50℃，且溫度波動較大，爐內實測溫度與設定溫度不一致，爐內溫度均高于設定溫度。

隨即對熱處理爐進行檢修，發現爐膛內壁右側內襯板開裂，且縫隙較大，爐內風扇松動，轉速過慢。

5 分析與討論

熱處理爐最高溫度達525.04℃，超過了7A04鋁合金低熔點共晶體Al+T（Al2Mg3Zn3）的熔點489℃，會使鋁合金晶界和晶內Al6（MnFe）、AlMnFeSi等不溶相形成團聚狀，并在局部晶界以團聚狀不溶相為核心形成復熔球，產生過燒組織[2]。過燒組織使鋁合金晶界脆化、強度降低，在后續的淬火冷卻過程中受到高強度應力而產生裂紋，降低工件的疲勞性能和腐蝕性能。因此，熱處理后的鋁合金件不允許有過燒現象[3]，粗大的枝晶偏析還可能在隨后的加工過程中形成帶狀組織，造成工件在使用過程中失效。

由分析過程可以看出，彈底產生缺陷的原因為熱處理爐溫度異常致使淬火加熱溫度過高，造成材料過燒，晶內偏析和多余脆性相的存在使塑性明顯降低，引起材料強度下降，水冷時在圓弧過渡、尖角及粗晶環等應力集中處形成裂紋，并在內應力作用下發生開裂。

6 結論及改善措施

1）彈底產生缺陷的原因為熱處理爐爐內溫度過高導致了材料的過燒，造成了產品的早期失效。

2）維修故障設備，對熱處理爐內襯板進行焊接，并對爐內風扇進行更換，對密封部位進行補焊。

3）加強管理，定期對熱處理爐進行校檢，并在工件入爐前使用紅外測溫儀測試爐內實際溫度。