ZL101A鑄造鋁合金機器人大臂斷裂失效分析

方曼婷，金林奎，吳正環，程曦，黎肖輝，陳宇浩

1.廣東省東莞市質量監督檢測中心 廣東東莞 523808

2.國家模具產品質量監督檢驗中心 廣東東莞 523808

1 序言

ZL101A鑄造鋁合金的牌號為ZAlSi7MgA，產品加工及驗收規范執行GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》。該鑄造鋁合金屬于可熱處理強化材料，其化學成分與ZL101鑄造鋁合金基本相同，是 ZL101鑄造鋁合金的改進型。該鑄造鋁合金主要采用高純度原材料，以降低材料中各種雜質物含量，同時添加多種微量元素來細化組織，使其比ZL101鋁合金具有更高的力學性能。該鑄造鋁合金的成分簡單，鑄造性能優良，并具有良好的耐蝕性[1]。其焊接性和切削加工性能，均與ZL101鋁合金大致相同。

ZL101A鑄造鋁合金機器人大臂在使用過程中發生斷裂，大臂環形連接套外壁有明顯的撞擊痕跡。送檢的鋁合金大臂斷裂樣品，斷口大部分已缺失，無法復原開裂斷口的整體形貌。本文對ZL101A鑄造鋁合金大臂斷裂失效件的化學成分、表面硬度、斷口形貌及顯微組織進行檢測，分析推斷其斷裂的原因以及開裂形成機理。

2 宏觀檢測

鋁合金大臂材料合金代號為ZL101A，該鋁合金大臂采用熔模鑄造，未經變質處理，大臂表面經過噴砂處理及涂漆保護。機器人設備使用過程發生大臂斷裂，在大臂環形連接套外壁位置有明顯的撞擊痕跡（見圖1a紅色箭頭處）。為了直觀顯示撞擊部位，客戶附上鋁合金大臂正面及背面設計圖（見圖1b）。送檢鋁合金大臂斷裂樣品已殘缺，大臂斷裂樣品的斷口大部分已缺失，其中左側的斷口被截取一半，右側的斷口已經完全被截?。ㄒ妶D1c）。對殘留斷口樣品進行宏觀檢測，斷口呈粗大結晶狀脆性斷裂特征（見圖1d）。依據圖1所示鋁合金大臂的位置1撞擊部位，推測斷裂起始處位于位置2部位，位置2剛好位于強度最為薄弱的螺紋孔邊緣，因而首先形成拉向應力開裂[2]。大臂螺紋孔邊緣開裂后，裂紋繼續擴展并向位置3的最大應力方向擴展。由于大臂斷裂樣品被人為截取，斷口部位已經殘缺，最終斷裂區無法復原，因此只能對現存的斷口進行檢測和分析。

圖1 失效ZL101A鋁合金大臂形貌

3 結果與討論

3.1 化學成分及硬度檢測

從該鋁合金大臂斷裂件上截取樣品，采用ARL8860火花放電直讀光譜儀進行化學分析，結果見表1。從表1可看出，Si、Fe、Zn元素含量均偏高，不符合規范要求。

表1 失效件樣品化學成分（質量分數） （%）

從該鋁合金大臂斷裂件截取樣品，采用Qness Q10M數顯維氏硬度計進行表面硬度檢測，實測硬度值分別為111HV0.3、108HV0.3、106HV0.3，與ZL101A鑄造鋁合金材料基體硬度相符。

3.2 拉伸試驗測試

客戶送檢1件拉伸試驗樣品，根據規范要求取自鋁合金大臂零部件，樣品尺寸為長度190mm、寬度20mm。采用UTM5305 300kN拉伸試驗機，對鋁合金樣品進行拉伸性能測試。實測樣品材料的抗拉強度為112MPa，客戶要求該鋁合金大臂抗拉強度＞275MPa。拉伸測試結果顯示，鋁合金大臂材料的抗拉強度偏低。由于拉伸試驗樣品未取自斷裂失效件，因此拉伸測試結果數據僅供參考。

3.3 金相組織檢測

采用Axio Observer 7m金相顯微鏡，對鋁合金大臂斷裂樣品進行檢測。螺紋孔螺牙部位附近的基體顯示枝晶組織，并存在大量疏松及孔洞缺陷組織（見圖2a、b）。螺牙部位的顯微組織為α（Al）固溶相＋粗大（α＋Si）共晶相，基體中同時含有較多針狀β（Al9Fe2Si2）脆性相。螺牙頂部存在疏松及孔洞缺陷，鑄件中存在任何形態的縮孔或縮松，都會減少其有效受力面積，在縮孔和縮松的尖角處產生應力集中，導致裂紋的出現，從而使鑄件的力學性能顯著降低。樣品表層及心部同樣存在粗大枝晶組織及β（Al9Fe2Si2）脆性相，由此可見，鋁合金大臂的材料強度低且脆性大（見圖2c、d）。

圖2 螺紋孔及擴展部位金相組織

失效件樣品經過混合酸腐蝕劑浸蝕，針狀β相（Al9Fe2Si2）色澤明顯加深，粗大（α＋Si）共晶相仍呈淺灰色，樣品浸蝕后螺紋孔及基體組織如圖3所示。由圖3a可看出，螺牙頂部沿黑色β相（Al9Fe2Si2）產生開裂并造成齒頂剝落。由圖3a可看出，粗大（α＋Si）共晶相及脆性β（Al9Fe2Si2）相，割斷了基體的連續性，顯著降低材料強韌性[3]（見圖3a、b）。

圖3 樣品浸蝕后螺紋孔及基體組織

3.4 斷口掃描檢測

采用SIGMA 300掃描電子顯微鏡進行檢測，大臂斷裂的起始部位剛好位于強度最薄弱的螺紋孔部位。表面剝層斷口人字紋收斂處指向螺紋孔邊緣，推斷螺紋孔邊緣屬于斷口起始部位[4]。螺紋孔邊緣存在較多疏松及孔洞，使得薄壁的螺紋孔強度進一步降低。斷口顯示粗大沿晶及二次裂紋，并存在粗大脆性相[5]（見圖4a、b）。螺紋孔的螺牙頂部已斷裂，螺牙底部仍存在較多疏松及孔洞，斷口顯示粗大沿晶及二次裂紋（見圖4c、d）。

圖4 螺紋孔及擴展部位斷口形貌

3.5 金相掃描檢測

采用SIGMA 300掃描電子顯微鏡，對螺紋孔部位進行檢測和分析。疏松及孔洞顯示圓弧狀自由表面，表明疏松及孔洞形成于鑄造過程的氣泡聚集[6]。受到螺紋加工過程影響，部分孔洞已經擠壓變形，形成孔洞邊緣連接的彎曲狀折疊裂紋。螺牙頂部兩側凸起的尖角，驗證了螺紋加工的擠壓變形過程。該疏松孔洞及折疊裂紋的缺陷組織，顯著降低材料性能（見圖5a、b）。

樣品表層及心部的顯微組織均為α（Al）固溶相＋（α＋Si）共晶相＋針狀β相（Al9Fe2Si2），其中灰白色粗大（α＋Si）共晶相組織，是材料強度降低的主要原因[7]。細長的深黑色β相（Al9Fe2Si2）特征形貌尤為明顯，該β（Al9Fe2Si2）脆性相割斷基體的連續性，使材料強度進一步降低，脆性增大（見圖5c、d）。

圖5 螺紋孔及擴展部位掃描圖片

3.6 微區能譜分析

能譜分析結果見表2。

表2 失效件樣品能譜分析結果（質量分數）（%）

采用INCA X-MAX 20能譜儀，對失效件樣品的基體組織進行能譜分析。檢測1區為針狀黑色相（見圖6a），針狀黑色相含有大量的Al、Fe、Si等元素，推斷為β（Al9Fe2Si2）相（見圖6b）。檢測2區為灰色相（見圖6c），灰色相中Si元素含量近98%，推斷為（α＋Si）共晶相（見圖6d）。檢測3區為基體相（見圖6e），基體相中Al元素含量近99%，推斷為α（Al）固溶相（見圖6f）。

圖6 微區能譜測試結果

綜上所述，表面剝層斷口人字紋收斂處指向螺紋孔，推斷螺紋孔邊緣屬于斷裂起始部位[8]。螺紋孔邊緣存在較多疏松及孔洞，使得薄壁螺紋孔強度降低。斷口顯示疏松及孔洞及二次裂紋，表明材料存在鑄造缺陷，并存在脆性相[9]。螺牙部位受擠壓形成折疊裂紋。螺牙頂部兩側凸起的尖角，驗證螺紋加工的擠壓變形過程[10]。該枝晶組織、β脆性相及疏松孔洞，顯著降低材料強韌性，導致螺紋孔部位率先形成拉伸應力開裂。

理化檢測結果表明：鋁合金大臂采用熔模鑄造，鑄造過程未經過變質處理；材料基體產生粗大枝晶組織、β脆性相及疏松孔洞，材料強度低且脆性大，鋁合金大臂在外加撞擊應力作用下造成斷裂；基體產生粗大枝晶的原因是鋁液澆注溫度高；基體產生β脆性相的原因是鋁合金鑄件冷卻速度慢；基體產生疏松孔洞的原因是鋁液澆注通道不順暢[11]。

4 結束語

鋁合金大臂斷裂的外部因素是外加撞擊作用力；內部因素是基體存在粗大枝晶、β脆性相及疏松孔洞，材料強度低且脆性大。外加撞擊過程無法復現，但實際生產過程可以防范和避免。粗大枝晶、β脆性相及疏松孔洞等缺陷組織是影響鋁合金大臂使用性能的主要因素。

為了避免鋁合金大臂撞擊事件再次發生，必須制定設備運行過程的安全措施及操作規程，同時做好生產現場的6S管理。然而，從根本上解決鋁合金大臂材料性能降低的原因才是關鍵所在，應重新設計斷裂起始區的螺紋孔，增加螺紋孔壁厚，并使該處澆道通暢，減少疏松孔洞缺陷，提高材料抗破斷強度。采用壓力鑄造可細化枝晶組織，必要時進行鑄前變質處理，并增加鑄件的鑄后冷卻速度，進一步提高鋁合金大臂材料的強韌性。