某惯性导航系统用铝合金底座铸件失效分析与工艺改进

2015-07-11张晓丽田洪超吕振玉

铸造设备与工艺 2015年2期

张晓丽，朱玲，田洪超，曲嘉，吕振玉

（1.军事交通学院，天津300161；2.天津航海仪器研究所，天津 300131）

某惯性导航系统是航海仪器研究所新研制成功的改进型导航系统，底座作为系统的关键承载部件，材料为ZL424铸造铝合金，要求达到一级铸件要求，为保证铸件性能达标，对底座进行了长时间、低载荷模拟受力环境运行，发现底座在纵横摇摆试验台运行3000h～3500h后，会出现裂纹，继续运行100h～200h，裂纹迅速扩展。本文通过对底座微观组织进行分析，结合其制造工艺，找到了裂纹出现的原因，改进了工艺，提高了底座成品率。

1 底座加工过程与失效分析

1.1 底座制造工艺流程

底座材质为ZL424铸造铝合金。制造工艺为：铸造→热处理（T2+T7）→粗加工→探伤→喷砂→热处理（T9）→半精加工→热处理（T9）→阳极化处理→油漆→精加工。

1.2 底座裂纹宏观形貌

铝合金底座外观形貌及开裂位置见图1，裂纹位于两个连接平台之间，在靠近低凹处裂纹开口最大，长度约25mm.

图1 铝合金底座外观形貌及开裂位置

1.3 微观观察

1.3.1 断口分析

将断口用超声波清洗后放入扫描电镜（SEM）进行微观观察。可见沿晶断裂特征，见图2.局部可见疏松和晶界初熔，分别见图3a）和3b）.

图2 底座断口形貌分析

图3 底座断口SEM 特征：

1.3.2 金相组织观察

从底座断口截取两个垂直于断口的截面，磨抛腐蚀后进行金相观察。底座组织局部区域存在明显疏松，见图4a）.局部可见一些晶界初熔现象，见图4b）.

图4 底座断口附近金相特征

2 分析与讨论

断口形貌呈沿晶断裂特征，符合ZL424铸造铝合金高强度、低塑性的特点。断口区存在疏松和晶界初熔，造成铸件局部强度低，从而在低载荷，长时间作用下，产生裂纹并扩展。

对于ZL424铸造铝合金，由于其含有Zn，Mg，Mn，Ti等多种合金元素，结晶温度范围宽，流动性较差，使其具有中等的铸造性能，易产生疏松缺陷，同时由于底座结构复杂，使得补缩困难；研制初期，为解决铸件浇不足、冷隔难题，提高了浇注温度，虽然获得了完整的铸件，却为疏松的形成创造了便利条件[1]。因此为消除疏松缺陷，从铸造工艺性出发，采取了以下措施：

1）如图1所示，在（a）部位放置弧形石墨冷铁，加快局部冷却；

2）如图1所示，在（b）部位各增加一个底口尺寸为150mm×100mm，高100mm，斜度1：5的补缩冒口，增强凝固后期的补缩；

3）将浇注温度从745℃～755℃降低到730℃～740℃，同时为防止产生浇不足，将砂型于200℃预热2h，并保证合箱后10min内浇注完毕[2]。

对于晶界初熔，考虑到在多个铸件中重复出现，综合考虑人、机、料、法、环各个环节，初步确定为电热鼓风干燥箱温度波动较大和工艺温度过高两个原因，随后对设备的温度均匀性和精度进行了检测，发现设备完全满足要求，因此，对热处理淬火加热温度进行了调整，从530℃±5℃降低到520℃±5℃.

3 试验验证

工艺改进后，生产了12个底座，经探伤铸件底部不存在缩松和晶界初熔，未进一步验证试验效果，从改进前后底座底部各截取4个平行于裂纹和4个垂直于裂纹的拉伸试样（改进后底座取样部位和改进前有裂纹的底座取样部位一一对应），按GB/T228.1-2010进行室温拉伸试验。由于底座厚度限制，拉伸试样直径为6mm.拉伸试验结果见表1.从表1可以看出，改进后试样的抗拉强度和延伸率较改进前都有了大幅度提高，这也进一步印证了工艺改进后底座底部缺陷数量大幅度减少，拉伸试验时，裂纹源大幅度减小，裂纹较难产生和扩展，因此，抗拉强度和延伸率得到大幅提升。