ZL201A鋁合金低壓鑄造輪輻斷口失效分析研究

許東光，趙 巍，馬春華

（1.南陽(yáng)師范學(xué)院，河南南陽(yáng) 473061；2.南陽(yáng)市弘源機(jī)電科技有限公司，河南南陽(yáng) 473061）

ZL201A鋁合金輪轂具有良好的力學(xué)性能、物理性能，并具有輕量化、生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能等特點(diǎn)，因此鋁合金輪輻在國(guó)內(nèi)外各檔轎車(chē)以及輕型汽車(chē)中獲得了廣泛的應(yīng)用[1,2]。目前鋁合金輪轂的制造方法主要有低壓鑄造和鍛造法。低壓鑄造的鋁合金輪輻，成品率高，成本較低，綜合性能相對(duì)較好[3,4]。低壓鑄造鋁合金輪輻產(chǎn)生缺陷的影響因素很多，用陶瓷材料制成的澆口套替代傳統(tǒng)的金屬澆口套，可提高產(chǎn)品的成品率[5,6]；鋁合金材料化學(xué)成分在很大程度上決定了它的力學(xué)性能和一些物理性能[7,8]；組織內(nèi)部諸如縮孔、縮松、氣孔和夾雜物等缺陷，鑄造鋁合金包含的缺陷對(duì)鑄件的力學(xué)性能影響較大[9]。

本文利用鑄件本體材料成分分析、力學(xué)性能分析、X射線(xiàn)探傷、金相檢驗(yàn)、斷口微觀形貌觀察等手段對(duì)ZL201A鋁合金低壓鑄造輪輻進(jìn)行了斷口失效分析研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

表1 鋁合金鑄錠的化學(xué)成分 ωB/%

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為來(lái)自生產(chǎn)線(xiàn)的低壓鑄造ZL201A鋁合金輪輻，輪輻的原材料鋁液化學(xué)成分如表1所示。

1.2 工藝流程

輪輻的低壓鑄造工藝流程包括合模、升液階段 0～11kPa×4s、充型階段 11～31kPa×31s、升壓階段 31～85kPa×8s、保壓階段 85kPa×147s、卸壓及冷卻階段 850kPa×50s、開(kāi)模7個(gè)主要流程。

1.3 熱處理工藝

輪輻熱處理工藝執(zhí)行GB/T1173-1995，熱處理狀態(tài)：T5，鑄件平放料框，避免上下擠壓，防止變形。固溶處理時(shí)裝爐溫度在300℃以下。固溶處理為：535±5℃，保溫 9小時(shí)，繼續(xù)升溫至 545±5℃，保溫9小時(shí)。到時(shí)間后迅速入水，入水時(shí)間在15秒以?xún)?nèi)，入水溫度不低于60℃。時(shí)效溫度為：165±5℃，時(shí)效時(shí)間為：9個(gè)小時(shí)，空冷。

1.4 成分和力學(xué)性能分析

在圖1斷口附近及其他部位切取了三塊試塊，做光譜分析。同時(shí)委托第三方進(jìn)行了化學(xué)成份、力學(xué)性能檢測(cè)。在圖2斷口附近及其它部位切取了三段，分別加工成試棒做力學(xué)性能分析。

1.5 斷口微觀形貌觀察

在斷口部位進(jìn)行X射線(xiàn)探傷。將斷口部位切開(kāi)后，對(duì)斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察，可以看出，整個(gè)斷口表面干凈，無(wú)腐蝕產(chǎn)物，斷口呈亮銀灰色，且從斷口上明顯可以看到有敲擊的痕跡，詳見(jiàn)斷口剖切圖。對(duì)鑄件斷口附近材料進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn)，用掃描電鏡對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 光譜分析

分析結(jié)果符合GB/T1173-1995要求，未發(fā)現(xiàn)成份超標(biāo)，詳見(jiàn)表2。

表2 成分報(bào)告 ωB/%

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

圖1 光譜分析試塊切取部位圖

圖2 力學(xué)性能試塊切取部位圖

表3 力學(xué)性能報(bào)告

在斷口附近及其它部位切取了三段，分別加工成試棒做力學(xué)性能分析。檢測(cè)技術(shù)依據(jù)：GB/T1173-1995（本體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）。分析結(jié)果全部符合GB/T1173-1995本體試棒要求，詳見(jiàn)表3。

2.3 X射線(xiàn)探傷

在斷口部位進(jìn)行X射線(xiàn)探傷，未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，產(chǎn)品內(nèi)部無(wú)氣孔、夾渣、縮松等現(xiàn)象。詳見(jiàn)圖3的X射線(xiàn)探傷照片。

圖3 X射線(xiàn)探傷照片

2.4 斷口宏觀分析

將斷口部位切開(kāi)后，對(duì)斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察，可以看出，整個(gè)斷口表面干凈，無(wú)腐蝕產(chǎn)物，斷口呈亮銀灰色，且從斷口上明顯可以看到有敲擊的痕跡，詳見(jiàn)圖4。

2.5 熱處理曲線(xiàn)

詳見(jiàn)圖5固溶處理曲線(xiàn)圖和圖6時(shí)效處理曲線(xiàn)圖。

圖4 斷口剖切圖

2.6 斷口金相組織檢驗(yàn)及斷口微觀形貌觀察

對(duì)鑄件斷口附近材料進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn)，用掃描電鏡對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行觀察。2.6.1 斷口金相組織檢驗(yàn)

（1）鑄造組織中的β相（Al2Cu）已完全溶入α基體中，晶界上少量的黑色組織為不溶解的T相(Al2CuMn2)，晶內(nèi)大量的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)為固溶處理加熱時(shí)析出的二次T相（Al2CuMn2)，通過(guò)金相圖片分析該組織細(xì)小均勻、性能較好。

（2）金相圖片中未發(fā)現(xiàn)有復(fù)溶球和三角形的晶界溶體，說(shuō)明鑄件未發(fā)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，鑄件熱處理狀態(tài)正常。

圖5 固溶處理曲線(xiàn)圖

圖6 時(shí)效處理曲線(xiàn)圖

圖7 200X金相組織圖片

圖8 500X金相組織圖片

（3）鑄件內(nèi)部組織未發(fā)現(xiàn)有疏松、渣孔、針孔、氣孔等缺陷。

（4）金相組織見(jiàn)圖7和圖8。

2.6.2 斷口微觀形貌觀察

經(jīng)掃描電鏡對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，斷口上存在大量的拉長(zhǎng)韌窩，而在拉長(zhǎng)韌窩周?chē)嬖谥倭康牡容S韌窩。該韌窩形貌表明該鑄件材料具有一定的塑性。

3 失效分析

通過(guò)對(duì)鑄件本體材料成分分析、力學(xué)性能分析、X射線(xiàn)探傷、金相檢驗(yàn)，顯示鑄件內(nèi)部組織無(wú)疏松、氣孔、夾渣等缺陷，熱處理工藝合理，滿(mǎn)足了鑄件力學(xué)性能要求，斷口形貌顯示，裂紋產(chǎn)生于工件陽(yáng)極氧化之后。斷口韌窩的形成是由于高的塑性應(yīng)變?cè)斐苫w形成孔洞，同時(shí)在斷口上形成小的纖維裂紋，由于材料具有高的塑性應(yīng)變，在斷口根部出現(xiàn)大量細(xì)微孔洞，這種微觀細(xì)小裂紋在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生位錯(cuò)滑移，形成位錯(cuò)積塞 ，使得二次 T（Al12CuMn2）相或少量雜質(zhì)（AlFeMnSi）相開(kāi)裂，同時(shí)，在位錯(cuò)堆積而產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，微裂紋穿過(guò)二次T相晶粒邊界，在外加正應(yīng)力超過(guò)局部解理斷裂應(yīng)力時(shí)，裂紋將截?cái)嗑Я４┻^(guò)晶體，擴(kuò)展后導(dǎo)致解理斷裂。

圖9 不同倍數(shù)下的斷口形貌

4 結(jié)論

對(duì)產(chǎn)生裂紋的輪輻進(jìn)行失效分析，結(jié)合采用鑄件本體材料成分分析、力學(xué)性能分析、X射線(xiàn)探傷、顯微分析、斷口掃描等手段，對(duì)裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的原因及機(jī)理進(jìn)行了論述，結(jié)論如下：

（1）斷口形貌顯示裂紋產(chǎn)生于工件陽(yáng)極氧化之后。

（2）零件內(nèi)部組織中分布于晶界的T相和雜質(zhì)相，相對(duì)于基體組織韌性較差，是金屬材料內(nèi)部組織的微觀薄弱部位，受外力重?fù)魰r(shí)，該處首先萌生細(xì)小裂紋并迅速擴(kuò)展。

（3）當(dāng)外應(yīng)力超過(guò)材料最小截面的破壞強(qiáng)度時(shí)，在最小截面處形成宏觀裂紋。