鋁合金比強(qiáng)度高，具有較好的耐腐蝕性能和較高的韌性且易于加工，廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件，是航空航天領(lǐng)域的重要材料。豫西工業(yè)集團(tuán)河南北方紅陽機(jī)電有限公司某型號(hào)產(chǎn)品彈底采用7A04鋁合金擠壓而成，其中一爐產(chǎn)品在熱處理后發(fā)現(xiàn)彈底存在缺陷，彈底口部有起層、掉渣現(xiàn)象，外表面錐體部分可見沿圓周形成環(huán)狀裂紋，內(nèi)孔圓弧過渡處也發(fā)現(xiàn)有沿圓周形成的環(huán)狀裂紋，為了找出引起彈底缺陷的原因，對(duì)鋁合金彈底產(chǎn)生缺陷原因進(jìn)行了分析。
一、故障分析及定位
結(jié)合彈底加工過程，按故障樹分析法，對(duì)彈底缺陷進(jìn)行分析，列出故障樹如圖1所示，并對(duì)故障樹上影響彈底質(zhì)量的因素進(jìn)行逐一排查。
圖1 彈底缺陷故障樹
（1）人員 操作人員經(jīng)培訓(xùn)考核，做到了持證上崗，均是有經(jīng)驗(yàn)的操作工。（2）原材料 原材料為7A04棒料，進(jìn)廠驗(yàn)收化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、低倍組織均合格。（3）工藝 彈底加工工藝使用多年，沿用至今，工藝參數(shù)合理、有效。工藝流程：生產(chǎn)前準(zhǔn)備→上料→模鍛→粗加工→熱處理→精加工；鋁合金熱處理方式為T6處理，其中固溶處理的淬火溫度為470℃。（4）設(shè)備 對(duì)熱處理設(shè)備進(jìn)行排查，經(jīng)詢問操作工得知本爐彈底出爐時(shí)工件顏色通紅，而以前未出現(xiàn)此現(xiàn)象。（5）故障定位 結(jié)合故障樹進(jìn)行排查分析，排除了人員、材料、工藝方面可能存在的問題，基本確定彈底缺陷是由于熱處理設(shè)備存在問題引起的。
二、理化檢驗(yàn)
為了查找缺陷原因，挑選缺陷明顯的彈底解剖進(jìn)行理化檢驗(yàn)。沿彈底軸線剖開，根據(jù)GB/T 3246.2—2012 《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法第2部分：低倍組織檢驗(yàn)方法》規(guī)定要求，對(duì)失效鋁合金彈底進(jìn)行低倍組織分析，浸蝕后發(fā)現(xiàn)試面上存在大量裂紋，在內(nèi)壁圓弧過渡處分別有向內(nèi)延伸的裂紋。同時(shí)，外圓錐表面發(fā)現(xiàn)有2.5mm深的粗晶環(huán)，粗晶環(huán)與基體交界處存在裂紋，底面心部有縱向裂紋。在彈底圓弧過渡處取金相試樣，根據(jù)GB/T 3246.1—2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1 部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》規(guī)定要求，對(duì)試樣磨制后，用混合酸水溶液進(jìn)行腐蝕，顯微組織如圖2所示，經(jīng)觀察試樣顯微組織中出現(xiàn)復(fù)熔共晶相，并存在大量的與復(fù)熔三角形相近的組織特征，且富集在晶界上，具有晶界加寬的特征，是典型的過燒組織。
圖2 彈底顯微組織
三、爐溫檢測(cè)
為了查找過燒原因，依據(jù)GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》對(duì)熱處理爐裝料時(shí)爐內(nèi)溫場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試設(shè)備的5號(hào)測(cè)點(diǎn)與熱電偶連接，其余5個(gè)測(cè)點(diǎn)放置于工件處，測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。
圖3 爐溫檢測(cè)位置
注：1~6為測(cè)溫點(diǎn)
按圖3放置測(cè)點(diǎn)對(duì)熱處理爐爐內(nèi)溫場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，爐溫設(shè)定為470℃，保溫70min，記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化情況，檢測(cè)結(jié)果見表1。
表1 熱處理爐爐溫檢測(cè)結(jié)果 （℃）
檢測(cè)結(jié)果：爐內(nèi)最高溫度與最低溫度相差超過50℃，且溫度波動(dòng)較大，爐內(nèi)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度不一致，爐內(nèi)溫度均高于設(shè)定溫度。隨即對(duì)熱處理爐進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)壁右側(cè)內(nèi)襯板開裂，且縫隙較大，爐內(nèi)風(fēng)扇松動(dòng)，轉(zhuǎn)速過慢。
四、分析與討論
熱處理爐最高溫度達(dá)525.04℃，超過了7A04 鋁合金低熔點(diǎn)共晶體Al+T（Al2Mg3Zn3）的熔點(diǎn)489℃，會(huì)使鋁合金晶界和晶內(nèi)Al6（MnFe）、AlMnFeSi等不溶相形成團(tuán)聚狀，并在局部晶界以團(tuán)聚狀不溶相為核心形成復(fù)熔球，產(chǎn)生過燒組織。過燒組織使鋁合金晶界脆化、強(qiáng)度降低，在后續(xù)的淬火冷卻過程中受到高強(qiáng)度應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，降低工件的疲勞性能和腐蝕性能。因此，熱處理后的鋁合金件不允許有過燒現(xiàn)象，粗大的枝晶偏析還可能在隨后的加工過程中形成帶狀組織，造成工件在使用過程中失效。由分析過程可以看出，彈底產(chǎn)生缺陷的原因?yàn)闊崽幚頎t溫度異常致使淬火加熱溫度過高，造成材料過燒，晶內(nèi)偏析和多余脆性相的存在使塑性明顯降低，引起材料強(qiáng)度下降，水冷時(shí)在圓弧過渡、尖角及粗晶環(huán)等應(yīng)力集中處形成裂紋，并在內(nèi)應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。
五、結(jié)論及改善措施
1）彈底產(chǎn)生缺陷的原因?yàn)闊崽幚頎t爐內(nèi)溫度過高導(dǎo)致了材料的過燒，造成了產(chǎn)品的早期失效。2）維修故障設(shè)備，對(duì)熱處理爐內(nèi)襯板進(jìn)行焊接，并對(duì)爐內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)行更換，對(duì)密封部位進(jìn)行補(bǔ)焊。3）加強(qiáng)管理，定期對(duì)熱處理爐進(jìn)行校檢，并在工件入爐前使用紅外測(cè)溫儀測(cè)試爐內(nèi)實(shí)際溫度。
作者：褚小菲，楊有才，石燕，等
單位：豫西工業(yè)集團(tuán)河南北方紅陽機(jī)電有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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