铝合金弹底产生缺陷原因分析

褚小菲，杨有才，石燕，柯美武，冯军海，毛永，张然

豫西工业集团河南北方红阳机电有限公司 河南南阳 474678

1 序言

铝合金比强度高，具有较好的耐腐蚀性能和较高的韧性且易于加工，广泛应用于各种飞机、导弹和火箭的高强度结构零件，是航空航天领域的重要材料。豫西工业集团河南北方红阳机电有限公司某型号产品弹底采用7A04铝合金挤压而成，其中一炉产品在热处理后发现弹底存在缺陷，弹底口部有起层、掉渣现象，外表面锥体部分可见沿圆周形成环状裂纹，内孔圆弧过渡处也发现有沿圆周形成的环状裂纹，为了找出引起弹底缺陷的原因，对铝合金弹底产生缺陷原因进行了分析。

2 故障分析及定位

结合弹底加工过程，按故障树分析法，对弹底缺陷进行分析，列出故障树如图1所示，并对故障树上影响弹底质量的因素进行逐一排查。

图1 弹底缺陷故障树

（1）人员 操作人员经培训考核，做到了持证上岗，均是有经验的操作工。

（2）原材料 原材料为7A04棒料，进厂验收化学成分、力学性能、金相组织、低倍组织均合格。

（3）工艺 弹底加工工艺使用多年，沿用至今，工艺参数合理、有效。工艺流程：生产前准备→上料→模锻→粗加工→热处理→精加工；铝合金热处理方式为T6处理，其中固溶处理的淬火温度为470℃。

（4）设备 对热处理设备进行排查，经询问操作工得知本炉弹底出炉时工件颜色通红，而以前未出现此现象。

（5）故障定位 结合故障树进行排查分析，排除了人员、材料、工艺方面可能存在的问题，基本确定弹底缺陷是由于热处理设备存在问题引起的。

3 理化检验

为了查找缺陷原因，挑选缺陷明显的弹底解剖进行理化检验。

（1）宏观观察 沿弹底轴线剖开，根据 GB/T 3246.2—2012 《变形铝及铝合金制品组织检验方法第2部分：低倍组织检验方法》规定要求，对失效铝合金弹底进行低倍组织分析，浸蚀后发现试面上存在大量裂纹，在内壁圆弧过渡处分别有向内延伸的裂纹。同时，外圆锥表面发现有2.5mm深的粗晶环，粗晶环与基体交界处存在裂纹，底面心部有纵向裂纹。

（2）显微组织分析 在弹底圆弧过渡处取金相试样，根据 GB/T 3246.1—2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法 第 1 部分：显微组织检验方法》规定要求，对试样磨制后，用混合酸水溶液进行腐蚀，显微组织如图2所示，经观察试样显微组织中出现复熔共晶相，并存在大量的与复熔三角形相近的组织特征，且富集在晶界上，具有晶界加宽的特征，是典型的过烧组织[1]。

图2 弹底显微组织

4 炉温检测

为了查找过烧原因，依据GB/T 9452—2012《热处理炉有效加热区测定方法》对热处理炉装料时炉内温场进行检测，测试设备的5号测点与热电偶连接，其余5个测点放置于工件处，测点位置如图3所示。

图3 炉温检测位置

按图3放置测点对热处理炉炉内温场进行检测，炉温设定为470℃，保温70min，记录各个测点温度变化情况，检测结果见表1。

表1 热处理炉炉温检测结果 （℃）

检测结果：炉内最高温度与最低温度相差超过50℃，且温度波动较大，炉内实测温度与设定温度不一致，炉内温度均高于设定温度。

随即对热处理炉进行检修，发现炉膛内壁右侧内衬板开裂，且缝隙较大，炉内风扇松动，转速过慢。

5 分析与讨论

热处理炉最高温度达525.04℃，超过了7A04铝合金低熔点共晶体Al+T（Al2Mg3Zn3）的熔点489℃，会使铝合金晶界和晶内Al6（MnFe）、AlMnFeSi等不溶相形成团聚状，并在局部晶界以团聚状不溶相为核心形成复熔球，产生过烧组织[2]。过烧组织使铝合金晶界脆化、强度降低，在后续的淬火冷却过程中受到高强度应力而产生裂纹，降低工件的疲劳性能和腐蚀性能。因此，热处理后的铝合金件不允许有过烧现象[3]，粗大的枝晶偏析还可能在随后的加工过程中形成带状组织，造成工件在使用过程中失效。

由分析过程可以看出，弹底产生缺陷的原因为热处理炉温度异常致使淬火加热温度过高，造成材料过烧，晶内偏析和多余脆性相的存在使塑性明显降低，引起材料强度下降，水冷时在圆弧过渡、尖角及粗晶环等应力集中处形成裂纹，并在内应力作用下发生开裂。

6 结论及改善措施

1）弹底产生缺陷的原因为热处理炉炉内温度过高导致了材料的过烧，造成了产品的早期失效。

2）维修故障设备，对热处理炉内衬板进行焊接，并对炉内风扇进行更换，对密封部位进行补焊。

3）加强管理，定期对热处理炉进行校检，并在工件入炉前使用红外测温仪测试炉内实际温度。