ZL201A铝合金低压铸造轮辐断口失效分析研究

2018-12-05许东光马春华

中国铸造装备与技术 2018年6期

许东光，赵巍，马春华

（1.南阳师范学院，河南南阳 473061；2.南阳市弘源机电科技有限公司，河南南阳 473061）

ZL201A铝合金轮毂具有良好的力学性能、物理性能，并具有轻量化、生产过程节能等特点，因此铝合金轮辐在国内外各档轿车以及轻型汽车中获得了广泛的应用[1,2]。目前铝合金轮毂的制造方法主要有低压铸造和锻造法。低压铸造的铝合金轮辐，成品率高，成本较低，综合性能相对较好[3,4]。低压铸造铝合金轮辐产生缺陷的影响因素很多，用陶瓷材料制成的浇口套替代传统的金属浇口套，可提高产品的成品率[5,6]；铝合金材料化学成分在很大程度上决定了它的力学性能和一些物理性能[7,8]；组织内部诸如缩孔、缩松、气孔和夹杂物等缺陷，铸造铝合金包含的缺陷对铸件的力学性能影响较大[9]。

本文利用铸件本体材料成分分析、力学性能分析、X射线探伤、金相检验、断口微观形貌观察等手段对ZL201A铝合金低压铸造轮辐进行了断口失效分析研究。

1 试验内容及方法

表1 铝合金铸锭的化学成分 ωB/%

1.1 试验材料

本试验材料为来自生产线的低压铸造ZL201A铝合金轮辐，轮辐的原材料铝液化学成分如表1所示。

1.2 工艺流程

轮辐的低压铸造工艺流程包括合模、升液阶段 0～11kPa×4s、充型阶段 11～31kPa×31s、升压阶段 31～85kPa×8s、保压阶段 85kPa×147s、卸压及冷却阶段 850kPa×50s、开模7个主要流程。

1.3 热处理工艺

轮辐热处理工艺执行GB/T1173-1995，热处理状态：T5，铸件平放料框，避免上下挤压，防止变形。固溶处理时装炉温度在300℃以下。固溶处理为：535±5℃，保温 9小时，继续升温至 545±5℃，保温9小时。到时间后迅速入水，入水时间在15秒以内，入水温度不低于60℃。时效温度为：165±5℃，时效时间为：9个小时，空冷。

1.4 成分和力学性能分析

在图1断口附近及其他部位切取了三块试块，做光谱分析。同时委托第三方进行了化学成份、力学性能检测。在图2断口附近及其它部位切取了三段，分别加工成试棒做力学性能分析。

1.5 断口微观形貌观察

在断口部位进行X射线探伤。将断口部位切开后，对断口进行宏观形貌观察，可以看出，整个断口表面干净，无腐蚀产物，断口呈亮银灰色，且从断口上明显可以看到有敲击的痕迹，详见断口剖切图。对铸件断口附近材料进行了金相组织检验，用扫描电镜对断口微观形貌进行观察。

2 试验结果及讨论

2.1 光谱分析

分析结果符合GB/T1173-1995要求，未发现成份超标，详见表2。

表2 成分报告 ωB/%

2.2 力学性能检测

图1 光谱分析试块切取部位图

图2 力学性能试块切取部位图

表3 力学性能报告

在断口附近及其它部位切取了三段，分别加工成试棒做力学性能分析。检测技术依据：GB/T1173-1995（本体试验标准）。分析结果全部符合GB/T1173-1995本体试棒要求，详见表3。

2.3 X射线探伤

在断口部位进行X射线探伤，未发现铸造缺陷，产品内部无气孔、夹渣、缩松等现象。详见图3的X射线探伤照片。

图3 X射线探伤照片

2.4 断口宏观分析

将断口部位切开后，对断口进行宏观形貌观察，可以看出，整个断口表面干净，无腐蚀产物，断口呈亮银灰色，且从断口上明显可以看到有敲击的痕迹，详见图4。

2.5 热处理曲线

详见图5固溶处理曲线图和图6时效处理曲线图。

图4 断口剖切图

2.6 断口金相组织检验及断口微观形貌观察

对铸件断口附近材料进行了金相组织检验，用扫描电镜对断口微观形貌进行观察。2.6.1 断口金相组织检验

（1）铸造组织中的β相（Al2Cu）已完全溶入α基体中，晶界上少量的黑色组织为不溶解的T相(Al2CuMn2)，晶内大量的细小质点为固溶处理加热时析出的二次T相（Al2CuMn2)，通过金相图片分析该组织细小均匀、性能较好。

（2）金相图片中未发现有复溶球和三角形的晶界溶体，说明铸件未发生过热、过烧现象，铸件热处理状态正常。

图5 固溶处理曲线图

图6 时效处理曲线图

图7 200X金相组织图片

图8 500X金相组织图片

（3）铸件内部组织未发现有疏松、渣孔、针孔、气孔等缺陷。

（4）金相组织见图7和图8。

2.6.2 断口微观形貌观察

经扫描电镜对断口微观形貌进行观察，断口上存在大量的拉长韧窝，而在拉长韧窝周围存在着少量的等轴韧窝。该韧窝形貌表明该铸件材料具有一定的塑性。

3 失效分析

通过对铸件本体材料成分分析、力学性能分析、X射线探伤、金相检验，显示铸件内部组织无疏松、气孔、夹渣等缺陷，热处理工艺合理，满足了铸件力学性能要求，断口形貌显示，裂纹产生于工件阳极氧化之后。断口韧窝的形成是由于高的塑性应变造成基体形成孔洞，同时在断口上形成小的纤维裂纹，由于材料具有高的塑性应变，在断口根部出现大量细微孔洞，这种微观细小裂纹在应力作用下，产生位错滑移，形成位错积塞，使得二次 T（Al12CuMn2）相或少量杂质（AlFeMnSi）相开裂，同时，在位错堆积而产生的应力作用下，微裂纹穿过二次T相晶粒边界，在外加正应力超过局部解理断裂应力时，裂纹将截断晶粒穿过晶体，扩展后导致解理断裂。