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鋁合金彈底產生缺陷,竟是材料過燒

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。


一、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。


二、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。

圖2 彈底顯微組織


三、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

注:1~6為測溫點


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。


四、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。

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,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。


五、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。

參考文獻:略

作者:褚小菲,楊有才,石燕,等

單位:豫西工業集團河南北方紅陽機電有限公司

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志


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