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压铸铝合金清洗泵腔壁断裂失效分析
巩 磊，傅戈雁(苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215021)
摘要：借助金相显微镜、扫描电镜等分析手段，对压铸铝合金清洗泵腔壁断裂失效的原因进行了分析。结果表明，压铸、热处理工艺的不规范造成的组织缺陷如缩松和针状组织，是导致铝合金清洗泵腔壁发生脆性断裂的主要原因，并提出了相应的改进措施。
关键词：压铸铝合金；清洗泵；脆性断裂；失效分析
铝和铝合金具有密度小、导电性好、耐蚀性强、散热性好、比强度高和易于进行多种加工等特点，使其在各行业得到广泛应用。某企业生产的压铸铝合金清洗泵，一批共10件样品在15.8MPa的液体压力下进行台架试验，其中1件经过2h的试验后其缸体即发生严重断裂，其余产品在试验10h后仍完好。由该企业提供的铝锭材料成分见表1，经查手册知该清洗泵材料为铸铝YZAlSi11Cu3。
图1为泵体的结构形状及发生断裂的位置，断裂处壁厚为3.70mm，内径为14.40mm。本文结合泵体断口及其金相组织，对发生断裂失效的原因进行了分析，并提出了相应的改进措施。
图1 清洗泵缸体断裂部位
图2 断裂源处的SEM照片
1 断口形貌分析
裂纹源一般取决于材料应力集中的大小及强度的高低，当材料局部存在缺陷时，会使缺陷处的强度大幅度降低，此处最容易成为裂纹的起源位置[2]。将断口置于电镜中观察，很明显地可以发现裂纹源发生在该泵腔内部的阶梯尖角处，如图2所示。从缸体几何结构和受力原理可知，此处很容易造成应力集中。
导致凝固组织不致密的主要原因是缩松和气孔，二者通常是相互影响的。图3是断面上出现的直径约为0.3mm的孔洞。图3所示的孔洞既可能是高温液态金属铸件凝固时收缩造成的缩松，也可能是在熔炼时高温液态金属溶有部分气体在铸件凝固时不能完全溢出而造成的气孔缺陷。凝固收缩若能得到液相的及时补充则可防止缩松的形成。降低液相中的气体含量或采用在压力下凝固的铸造方式也可有效控制缩松的形成。
图3 断面孔洞的SEM照片
图4 断口附近内壁处的疏松(SEM)
图4是断口附近内壁处的疏松组织。疏松常见于结晶温度间隔大的合金中，铸件在凝固过程中，由于补缩不良或由于析出气体时排挤了该处的低熔点合金液体形成的。孔洞和材质疏松都是由于铝合金在压铸时对温度和凝固速度的控制以及对热处理等加工工艺操作不规范导致的材料内部组织不均匀所造成的缺陷。尤其是孔洞极易在材料内部形成极大的应力集中，对材料本身造成了极大的隐患。
图5是断口的高倍形貌。由图5可以看到许多准解理断裂出现的撕裂棱和韧窝。韧窝是以材料中原有的孔洞、质点为核心，在应力作用下逐渐聚集、长大、串联而形成的。准解理断裂和韧窝是有关的，在准解理小平面和星花间可以看到许多漫布的韧窝，显示出这两类断裂之间的联系。从观察到的形貌得出，该泵体是受少数次的应力作用造成的准解理脆性断裂。
图5 断口的SEM照片
2 金相分析
取断口剖面试样，经磨抛和化学试剂侵蚀后，在金相显微镜下观察:其组织主要为α+(α+Si)针状共晶+少量初生Si+少量Al2CuMg+少量Al9Fe2Si2。(α+Si)共晶的平衡组织应为粗大针状的共晶硅，分布在铝基体上。当合金呈这种组织时其力学性能很差，故不宜使用。工业上常在合金浇注之前加入不超过0.5%的钠或钠盐，以改变铝硅合金的组织，从而提高合金的力学性能，即“变质处理”。如图6a所示，在金相组织中(α+Si)针状共晶含量较高，是一种变质缺陷。当变质不足时，共晶硅为针片状，易使材料强度塑性达不到要求。对大多数铝合金来说，铁是有害杂质，它在合金中形成不溶的脆性针片状铁相，使合金的力学性能及抗蚀性能变坏。如图6b所示，Fe与Al、Si形成的Al9Fe2Si2针状有害相，极大地降低了合金的伸长率和强度。Cu是主要的强化元素，并可以中和Fe的有害作用。Fe的含量应控制在1.0%以下，0.7%左右为最佳，并相应地加入一定量的Mn元素。Mn对提高合金的强度和抗蚀性，使合金变为粗晶和致密状有很好的作用。Mn与Al形成的Al6(MnFe)相中可以溶解相当于Mn的1.5倍以上的Fe并阻止其它铁相的形成，当wMn∶wFe=0.7～0.8时合金最为理想[4]。
图6 试样中的α+(α+Si)针状共晶+少量初生Si+少量Al2CuMg组织(a)及针状Al9Fe2Si2组织(b)
3 断裂失效原因总结
综上所述，清洗泵腔壁断裂的可能原因有：
(1)铝合金在压铸和热处理时加工工艺的不规范造成材料内部组织结构不均匀，存在明显的压铸缺陷。材料内部较大的孔洞和几何结构上的阶梯尖角极容易产生较大的应力集中，是材料发生脆性断裂的主要原因。
(2)存在变质缺陷。当变质不足时，导致(α+Si)针状共晶含量较高，影响了材料的强度和塑性。
(3)铁元素的含量偏高。铁与铝硅化合反应形成的Al9Fe2Si2针状有害相对合金的强度和伸长率也有一定的影响。
4 改进措施及效果
针对所述清洗泵腔壁断裂的可能原因，提出以下改进措施:
(1)严格控制压铸温度和凝固速度，使材料组织均匀，控制产生孔洞及防止材质疏松等缺陷。
(2)进行变质处理。在合金浇注之前加入不超过0.5%的钠或钠盐，以改变铝硅合金的组织，从而提高
合金的力学性能。并将铁元素的含量控制在0.7%左右，加入一定量的Mn元素，使wMn∶wFe=0.7～0.8，并合理控制好其他各元素的比例。
(3)进行规范的热处理工艺操作。采用低温回火的方法，将工件加热到290℃～300℃，并保温2～4h，炉冷，以改善塑性，降低内应力，提高尺寸稳定性，同时保持一定的加工硬化效果，提高材料的性能。
按照上述措施对铝合金清洗泵加工工艺进行改进后，进行台架试验，试样均通过了测试。
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