某慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用鋁合金底座鑄件失效分析與工藝改進(jìn)

張曉麗，朱 玲，田洪超，曲 嘉，呂振玉

（1.軍事交通學(xué)院，天津300161；2.天津航海儀器研究所，天津 300131）

某慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是航海儀器研究所新研制成功的改進(jìn)型導(dǎo)航系統(tǒng)，底座作為系統(tǒng)的關(guān)鍵承載部件，材料為ZL424鑄造鋁合金，要求達(dá)到一級鑄件要求，為保證鑄件性能達(dá)標(biāo)，對底座進(jìn)行了長時(shí)間、低載荷模擬受力環(huán)境運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)底座在縱橫搖擺試驗(yàn)臺運(yùn)行3000h～3500h后，會出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)運(yùn)行100h～200h，裂紋迅速擴(kuò)展。本文通過對底座微觀組織進(jìn)行分析，結(jié)合其制造工藝，找到了裂紋出現(xiàn)的原因，改進(jìn)了工藝，提高了底座成品率。

1 底座加工過程與失效分析

1.1 底座制造工藝流程

底座材質(zhì)為ZL424鑄造鋁合金。制造工藝為：鑄造→熱處理（T2+T7）→粗加工→探傷→噴砂→熱處理（T9）→半精加工→熱處理（T9）→陽極化處理→油漆→精加工。

1.2 底座裂紋宏觀形貌

鋁合金底座外觀形貌及開裂位置見圖1，裂紋位于兩個連接平臺之間，在靠近低凹處裂紋開口最大，長度約25mm.

圖1 鋁合金底座外觀形貌及開裂位置

1.3 微觀觀察

1.3.1 斷口分析

將斷口用超聲波清洗后放入掃描電鏡（SEM）進(jìn)行微觀觀察?？梢娧鼐嗔烟卣鳎妶D2.局部可見疏松和晶界初熔，分別見圖3a）和3b）.

圖2 底座斷口形貌分析

圖3 底座斷口SEM 特征：

1.3.2 金相組織觀察

從底座斷口截取兩個垂直于斷口的截面，磨拋腐蝕后進(jìn)行金相觀察。底座組織局部區(qū)域存在明顯疏松，見圖4a）.局部可見一些晶界初熔現(xiàn)象，見圖4b）.

圖4 底座斷口附近金相特征

2 分析與討論

斷口形貌呈沿晶斷裂特征，符合ZL424鑄造鋁合金高強(qiáng)度、低塑性的特點(diǎn)。斷口區(qū)存在疏松和晶界初熔，造成鑄件局部強(qiáng)度低，從而在低載荷，長時(shí)間作用下，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。

對于ZL424鑄造鋁合金，由于其含有Zn，Mg，Mn，Ti等多種合金元素，結(jié)晶溫度范圍寬，流動性較差，使其具有中等的鑄造性能，易產(chǎn)生疏松缺陷，同時(shí)由于底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得補(bǔ)縮困難；研制初期，為解決鑄件澆不足、冷隔難題，提高了澆注溫度，雖然獲得了完整的鑄件，卻為疏松的形成創(chuàng)造了便利條件[1]。因此為消除疏松缺陷，從鑄造工藝性出發(fā)，采取了以下措施：

1）如圖1所示，在（a）部位放置弧形石墨冷鐵，加快局部冷卻；

2）如圖1所示，在（b）部位各增加一個底口尺寸為150mm×100mm，高100mm，斜度1：5的補(bǔ)縮冒口，增強(qiáng)凝固后期的補(bǔ)縮；

3）將澆注溫度從745℃～755℃降低到730℃～740℃，同時(shí)為防止產(chǎn)生澆不足，將砂型于200℃預(yù)熱2h，并保證合箱后10min內(nèi)澆注完畢[2]。

對于晶界初熔，考慮到在多個鑄件中重復(fù)出現(xiàn)，綜合考慮人、機(jī)、料、法、環(huán)各個環(huán)節(jié)，初步確定為電熱鼓風(fēng)干燥箱溫度波動較大和工藝溫度過高兩個原因，隨后對設(shè)備的溫度均勻性和精度進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)設(shè)備完全滿足要求，因此，對熱處理淬火加熱溫度進(jìn)行了調(diào)整，從530℃±5℃降低到520℃±5℃.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

工藝改進(jìn)后，生產(chǎn)了12個底座，經(jīng)探傷鑄件底部不存在縮松和晶界初熔，未進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)效果，從改進(jìn)前后底座底部各截取4個平行于裂紋和4個垂直于裂紋的拉伸試樣（改進(jìn)后底座取樣部位和改進(jìn)前有裂紋的底座取樣部位一一對應(yīng)），按GB/T228.1-2010進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。由于底座厚度限制，拉伸試樣直徑為6mm.拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1.從表1可以看出，改進(jìn)后試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率較改進(jìn)前都有了大幅度提高，這也進(jìn)一步印證了工藝改進(jìn)后底座底部缺陷數(shù)量大幅度減少，拉伸試驗(yàn)時(shí)，裂紋源大幅度減小，裂紋較難產(chǎn)生和擴(kuò)展，因此，抗拉強(qiáng)度和延伸率得到大幅提升。

表1 拉伸性能測試結(jié)果

4 結(jié) 論

1）長時(shí)間，低載荷作用下，ZL424鑄造鋁合金鑄件的斷口形貌呈沿晶脆性斷裂。

2）對于ZL424鑄造鋁合金，在鑄造較復(fù)雜鑄件時(shí)，宜采用較低的澆注溫度并對砂型進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的澆冒系統(tǒng)是十分必要的。

3）對于ZL424鑄造鋁合金，熱處理淬火加熱溫度不宜超過530℃，否則會出現(xiàn)晶界初熔甚至過燒。

[1]周家榮.鋁合金熔鑄生產(chǎn)技術(shù)問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2]陳琦，彭兆弟.鑄造技術(shù)問題對策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.