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铸造铝合金箱体的失效分析
胡青君
(上海烟草工业机械厂 上海201206)
摘 要：通过金相及电镜断口分析，确定箱体失效系铸造缺陷和几何截面差过大所致。提出了改进措施。
主题词：铸造缺陷；几何截面；失效分析
1 引言
我厂主要生产烟草机械设备，近几年通过引进、吸收、消化意大利GD公司的包装机，使包装技术有了很大的发展，达到8000支ömin的包装速度。在烟草包装设备中有一箱体(见图1)，其材质为ZL104，经过T6处理。该设备运行约半年后，在圆形凸台与箱体侧板交界处发生开裂并断落，为了弄清原因，确保产品的质量，对其开裂原因进行了分析。
2 检验
2.1 宏观分析
箱体上的圆形凸台与箱体侧板交界处的开裂形貌见图2所示，其为从箱体上钻取下侧板的一部分，圆形凸台高约30mm，直径为130mm，侧板厚约9mm，裂纹围绕凸台圆周肩胛处发展，而侧板上有一条呈直线的次裂纹，与圆形凸台呈45°方向发展，圆形凸台与侧板交界处的过渡圆角R<3mm。
图1 箱体外形图
图2 断裂部件形貌
2.2 断口分析
剖开断口，其断面见图3所示，断口十分粗糙，放射区明显呈“放射剪切”形态，可见有典型的剪切脊，在近底部可看到一条剪切唇区，表明开裂的主裂纹由圆形凸台与箱体侧板交界处向圆周方向发展。在断口上还可见到大量孔洞(图中小黑点)。
图3 断口宏观形貌
图4 近断口处裂纹 63×
2.3 硬度测定
分别在箱体圆形凸台表面与箱体侧板表面进行布氏硬度测定，结果见表1。
2.4 化学成分分析
在箱体上取样并按国家标准进行化学成分分析，结果符合ZL104牌号标准，见表2。
2.5 金相检验
在圆形凸台断口附近的径向处截取金相试样，经研磨、抛光、侵蚀后，在显微镜下观察，在近断口处，有平行于断口的呈断续状分布的细小裂纹，有的细小裂纹稍宽，长约0158mm，此裂纹处尚有小的疏松孔隙(见图4);有的小裂纹较细小，长约0.5mm，它未与表面相通(见图4)。另外在近断口与圆形凸台表面交接区域还可看到一条与疏松相连的长裂纹，长约1.4mm，见图5。同时在交接区域还存在许多疏松、孔洞，见图6。箱体的基体组织为初生枝晶分布的A固溶体，在枝晶间分布有A+Si共晶体，少量呈鱼骨状分布的Al6FeMnSi和Mg2Si相(见图6)。箱体圆形凸台处的组织与侧板处相比，组织要明显粗大些。
图5 近表面处裂纹 63×
图6 凸台处疏松、气孔等孔洞形貌 50×
3 结果分析
(1)箱体圆形凸台处由于截面较大，因而在凝固时，冷速较缓，且无法补缩，故该处存在大量的疏松、孔洞等铸造缺陷，破坏了金属基体的连续性，致使材料的力学性能(抗拉强度、伸长率)明显下降，这从该处的硬度值得到证实。
(2)箱体圆形凸台与箱体侧面交界处的截面差很大(约4倍)，造成铸造冷却时产生较大的内应力。同时又由于过渡圆角过小，当受到外应力作用时，易在该处造成应力集中。在上述两种情况的综合作用下，该处易产生微裂纹，并在使用过程中微裂纹迅速扩展，同时交界处过小的过渡圆角造成应力集中，促进形成裂纹并与内裂纹汇合，随之不断扩展，最终导致断裂失效。
4 结论
箱体圆形凸台处存在大量的疏松、孔洞等铸造缺陷以及圆形凸台与箱体侧面交界处几何截面相差过大导致箱体失效。
5 改进措施
(1)建议修改凸台附近的几何尺寸，在凸台处增加一根铸造筋，以减少铸造应力和使用时造成的应力集中。通过改进，箱体质量出现明显改善，再未发生断裂事故。
(2)严格控制铸造工艺，以减少疏松、孔洞等铸造缺陷。
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