7A04T6鋁合金厚壁管材環(huán)狀裂紋分析與預(yù)防措施

高新宇

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

7A04T6鋁合金厚壁管材環(huán)狀裂紋分析與預(yù)防措施

高新宇

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

通過(guò)低倍組織、顯微組織、掃描電鏡觀察及能譜分析等手段，分析了7A04鋁合金管材裂紋的產(chǎn)生原因。組織分析表明，該裂紋為熱裂紋，在主裂紋區(qū)域發(fā)現(xiàn)很多微裂紋，通過(guò)斷口掃描分析，確定該裂紋為鑄造過(guò)程中形成的裂紋。從形成機(jī)理上對(duì)7A04鋁合金管材裂紋的成因進(jìn)行了分析，并從鑄造工藝等方面提出了解決措施。

7A04鋁合金；鑄造裂紋；熱裂紋

0 前言

7A04 鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金，具有較高的強(qiáng)度和良好的機(jī)加性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。7000系鋁合金管材工業(yè)化生產(chǎn)需要較高的鑄造技術(shù)，由于鑄造過(guò)程中各種影響因素較多，各類鑄造缺陷無(wú)可避免，鑄造熱裂紋是常見(jiàn)的缺陷之一，通常情況這種鑄造熱裂紋為縱向裂紋。而近期我公司生產(chǎn)的管材出現(xiàn)了環(huán)形裂紋缺陷，為進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生原因，對(duì)管材進(jìn)行了低倍組織、顯微組織觀察、掃描電鏡及能譜分析，確定出缺陷的性質(zhì)和形成原因。

1 試驗(yàn)方案

7A04 鋁合金管材生產(chǎn)工藝流程：配料→熔煉→調(diào)整化學(xué)成分→爐內(nèi)精煉→鑄造→車皮、鏜孔→鋸切→均勻化→加熱→擠壓→淬火→人工時(shí)效。

取存在問(wèn)題的7A04鋁合金管材，截?cái)啻嬖诹鸭y的管材，然后進(jìn)行缺陷分析。首先進(jìn)行化學(xué)成分分析，然后鋸切顯微組織試樣，對(duì)顯微組織試樣進(jìn)行銑面，并進(jìn)行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸浸蝕、陽(yáng)極化制膜，制備高倍試樣進(jìn)行低倍組織、顯微組織觀察，掃描電鏡觀察及能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

7A04 鋁合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)范圍及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，從表1中可以看出，試樣的化學(xué)成分符合GB/T 3190標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 7A04鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2 低倍組織分析

將試樣進(jìn)行堿蝕，肉眼觀察，未發(fā)現(xiàn)有夾雜存在。低倍照片如圖1所示。圖1（b）和圖1（c）為主裂紋區(qū)，圖1（d）為微裂紋區(qū)。

圖1 試樣低倍照片

2.3 管材淬火前后組織對(duì)比

為進(jìn)一步分析管材缺陷的性質(zhì)，對(duì)同期生產(chǎn)的未淬火產(chǎn)品進(jìn)行低倍組織觀察（見(jiàn)圖2），發(fā)現(xiàn)未淬火管材存在環(huán)狀裂紋缺陷，見(jiàn)圖2（a）。經(jīng)顯微組織觀察，裂紋為熱裂紋。對(duì)存在缺陷的未淬火管材試樣進(jìn)行淬火，見(jiàn)圖2（b），淬火后的裂紋明顯放大。

圖2 試樣低倍照片

2.4 缺陷顯微組織分析

對(duì)試樣進(jìn)行高倍組織觀察，取樣位置如圖3所示。圖3中1#位置為主裂紋末端，2#位置為微裂紋區(qū)，3#位置為正常組織區(qū)域。對(duì)試樣進(jìn)行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸浸蝕、陽(yáng)極化制膜，制備高倍試樣進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖4所示。經(jīng)金相組織觀察，主裂紋附近發(fā)現(xiàn)有疑似夾雜缺陷，見(jiàn)圖4（a），正常組織附近也同樣存在疑似夾雜缺陷，見(jiàn)圖4（c），疑似夾雜缺陷位置有待于進(jìn)一步掃描能譜分析，微裂紋附近未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 試樣取樣位置照片

圖4 金相組織照片

2.5 疑似夾雜位置掃描能譜分析

圖5（a）為主裂紋附近疑似夾雜區(qū)域掃描照片，表2為圖5（a）中1、2、3位置的能譜結(jié)果。從圖5（a）掃描照片看出1#、2#疑似夾雜并非夾雜，只是腐蝕的晶界以及裂紋附近的淺坑所組成。而從表2結(jié)果得知，3#疑似夾雜也并非夾雜，可能是含Cu、Zn元素的一種第二相。

對(duì)特高壓雙回鼓型塔進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析,在計(jì)算中首先要確定地震影響系數(shù)α,根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50260—2013),Ⅱ類場(chǎng)地下地震影響系數(shù)為

圖5 掃描照片

表2 主裂紋各探點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

圖5（b）為正常組織疑似夾雜區(qū)域掃描照片，表3為圖5（b）中1、2、3位置的能譜結(jié)果。從表3能譜結(jié)果得知，正常組織區(qū)域的疑似夾雜也并非夾雜，應(yīng)該是尺寸細(xì)小的含Cu相。

表3 正常組織各探點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

2.6 斷口掃描能譜分析

將試樣沿裂紋拉開，肉眼觀察其斷口，發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域呈黑色。斷口掃描照片和能譜結(jié)果如圖6和表4所示。從表4的能譜結(jié)果得知，斷口的氧含量很高，如1、2位置，結(jié)合斷口形貌，認(rèn)為該斷口為典型的氧化膜型斷口，因此推測(cè)可能是氧化膜割裂基體導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，也就是說(shuō)從7A04鑄錠中遺留下來(lái)的氧化膜夾雜在擠壓變形過(guò)程中引發(fā)了裂紋的產(chǎn)生。

圖6 斷口掃描照片

表4 斷口中各探點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

3 分析與討論

3.1 缺陷的本質(zhì)

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為7A04管材裂紋為鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的熱裂紋，熱裂紋的產(chǎn)生是由于鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氧化膜所致，有裂紋的鑄錠經(jīng)擠壓后使缺陷拉長(zhǎng)，致管材通常存在該缺陷。同時(shí)，管材經(jīng)淬火后將裂紋放大，形成較大的裂紋缺陷。

3.2 環(huán)形裂紋的形成機(jī)理

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，該批管材生產(chǎn)是在1月份生產(chǎn)，受天氣影響，水溫偏低，導(dǎo)致管材鑄造中間層的冷速度快從而導(dǎo)致裂紋。分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氧化膜也是裂紋起始的原因。

3.3 有效減少鑄造熱裂紋的預(yù)防措施

（1）保證漏斗方正或避免漏斗孔堵塞，防止金屬供流不均勻而造成裂紋。

（2）保證結(jié)晶器出水均勻，避免鑄錠冷卻不均勻而造成裂紋。

（3）保障水溫，避免因水溫過(guò)低而造成的冷卻過(guò)強(qiáng)造成裂紋。

（4）保證鑄造溫度，防止鑄造溫度過(guò)高而造成冷卻產(chǎn)生裂紋。

（5）保證鑄造過(guò)程周圍環(huán)境，避免外來(lái)物的掉入，同時(shí)保證鑄造熔體質(zhì)量，避免氧化膜等缺陷進(jìn)入熔體。

4 結(jié)論

（1）7A04管材環(huán)向裂紋為鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)向熱裂紋，熱裂紋的產(chǎn)生是由于鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氧化膜所致，鑄錠經(jīng)擠壓后使缺陷拉長(zhǎng)，致管材通常存在該缺陷。同時(shí)，管材經(jīng)淬火后將裂紋放大，形成較大的裂紋缺陷。

（2）有效防止7A04管材環(huán)向裂紋措施包括：保證鑄造水溫、保證鑄造過(guò)程冷卻均勻、避免外來(lái)物及氧化膜等缺陷進(jìn)入熔體等。

提高強(qiáng)化時(shí)效鋁合金變形能力的方法

美國(guó)專利US5948185

本發(fā)明推薦一種采取折邊方法實(shí)現(xiàn)提高結(jié)構(gòu)件連接的強(qiáng)化時(shí)效鋁合金塑性的方法。該方法包括在10s內(nèi)將合金折邊區(qū)加熱到250～500℃、對(duì)該區(qū)進(jìn)行淬火、淬火之后3h以內(nèi)進(jìn)行折邊。淬火軟化區(qū)強(qiáng)度的復(fù)原通過(guò)冷變形(折邊)及后續(xù)時(shí)效進(jìn)行。本發(fā)明方法用于2×××(Al-Cu-Mg)、6×××(Al-Si-Mg-Cu)和7×××(Al-Zn-Mg-Cu)系合金。

球形連接件中滑動(dòng)件用鋁合金鑄型鑄件

美國(guó)專利 US5954897

本發(fā)明涉及一種與鋼制球形件連接的滑動(dòng)件鑄型鑄件生產(chǎn)用的鋁合金及其生產(chǎn)工藝。該合金含(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：Zn10～25、Si6～10、Cu0.5～3.0、Mn0.1～0.5。熱處理(260～450℃下加熱30min至2h，以大于20℃/s的速度冷卻、自然時(shí)效24h)之后，合金具有很高的力學(xué)性能(σb＝35～37 kgf/mm2、σ0.2＝24～26kgf/mm2)，以及很高的抗應(yīng)力腐蝕性能和耐磨性。利用低的加熱速度就可以同時(shí)對(duì)鑄錠和球形零件進(jìn)行熱處理，并不降低鋼的性能。

Annular Crack Analysisand Precautionary M easures for 7A04T6Alum inum Alloy Pipew ith Thick W all

GAO Xin-yu
(Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin 150060,China)

s:The cause of 7A04 alum inum alloy pipe crack hasbeen analyzed usingmacrostructure exam ination,m icrostructure exam i?nation,SEM and EDS.Them icrostructure analysis resultsshowed that pipe crackswere hot cracking.Manym icro-crackswere found in the crack region,and the SEM analysisshowed that them icro-crackswere formed during casting.The causesof crack of the 7A04 pipewere analyzed from formationmechanism,and the solutionsare proposed from the casting process.

7A04 aluminum alloy；casting crack；hot cracking

TG376.9

：B

：1005-4898（2017）04-0054-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.13

高新宇（1987-），男，遼寧省鞍山人，工程師。

2017－03－25