7A04T6鋁合金厚壁管材環狀裂紋分析與預防措施

高新宇

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

7A04T6鋁合金厚壁管材環狀裂紋分析與預防措施

高新宇

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

通過低倍組織、顯微組織、掃描電鏡觀察及能譜分析等手段，分析了7A04鋁合金管材裂紋的產生原因。組織分析表明，該裂紋為熱裂紋，在主裂紋區域發現很多微裂紋，通過斷口掃描分析，確定該裂紋為鑄造過程中形成的裂紋。從形成機理上對7A04鋁合金管材裂紋的成因進行了分析，并從鑄造工藝等方面提出了解決措施。

7A04鋁合金；鑄造裂紋；熱裂紋

0 前言

7A04 鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金，具有較高的強度和良好的機加性能，被廣泛應用于航空航天領域。7000系鋁合金管材工業化生產需要較高的鑄造技術，由于鑄造過程中各種影響因素較多，各類鑄造缺陷無可避免，鑄造熱裂紋是常見的缺陷之一，通常情況這種鑄造熱裂紋為縱向裂紋。而近期我公司生產的管材出現了環形裂紋缺陷，為進一步分析裂紋產生原因，對管材進行了低倍組織、顯微組織觀察、掃描電鏡及能譜分析，確定出缺陷的性質和形成原因。

1 試驗方案

7A04 鋁合金管材生產工藝流程：配料→熔煉→調整化學成分→爐內精煉→鑄造→車皮、鏜孔→鋸切→均勻化→加熱→擠壓→淬火→人工時效。

取存在問題的7A04鋁合金管材，截斷存在裂紋的管材，然后進行缺陷分析。首先進行化學成分分析，然后鋸切顯微組織試樣，對顯微組織試樣進行銑面，并進行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸浸蝕、陽極化制膜，制備高倍試樣進行低倍組織、顯微組織觀察，掃描電鏡觀察及能譜分析。

2 試驗結果

2.1 化學成分分析

7A04 鋁合金化學成分標準范圍及實測數據如表1所示，從表1中可以看出，試樣的化學成分符合GB/T 3190標準的要求。

表1 7A04鋁合金化學成分(質量分數/%)

2.2 低倍組織分析

將試樣進行堿蝕，肉眼觀察，未發現有夾雜存在。低倍照片如圖1所示。圖1（b）和圖1（c）為主裂紋區，圖1（d）為微裂紋區。

圖1 試樣低倍照片

2.3 管材淬火前后組織對比

為進一步分析管材缺陷的性質，對同期生產的未淬火產品進行低倍組織觀察（見圖2），發現未淬火管材存在環狀裂紋缺陷，見圖2（a）。經顯微組織觀察，裂紋為熱裂紋。對存在缺陷的未淬火管材試樣進行淬火，見圖2（b），淬火后的裂紋明顯放大。

圖2 試樣低倍照片

2.4 缺陷顯微組織分析

對試樣進行高倍組織觀察，取樣位置如圖3所示。圖3中1#位置為主裂紋末端，2#位置為微裂紋區，3#位置為正常組織區域。對試樣進行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸浸蝕、陽極化制膜，制備高倍試樣進行顯微組織觀察，結果如圖4所示。經金相組織觀察，主裂紋附近發現有疑似夾雜缺陷，見圖4（a），正常組織附近也同樣存在疑似夾雜缺陷，見圖4（c），疑似夾雜缺陷位置有待于進一步掃描能譜分析，微裂紋附近未發現異常。

圖3 試樣取樣位置照片

圖4 金相組織照片

2.5 疑似夾雜位置掃描能譜分析

圖5（a）為主裂紋附近疑似夾雜區域掃描照片，表2為圖5（a）中1、2、3位置的能譜結果。從圖5（a）掃描照片看出1#、2#疑似夾雜并非夾雜，只是腐蝕的晶界以及裂紋附近的淺坑所組成。而從表2結果得知，3#疑似夾雜也并非夾雜，可能是含Cu、Zn元素的一種第二相。

對特高壓雙回鼓型塔進行地震反應譜分析,在計算中首先要確定地震影響系數α,根據《電力設施抗震設計規范》(GB 50260—2013),Ⅱ類場地下地震影響系數為

圖5 掃描照片

表2 主裂紋各探點的能譜分析結果

圖5（b）為正常組織疑似夾雜區域掃描照片，表3為圖5（b）中1、2、3位置的能譜結果。從表3能譜結果得知，正常組織區域的疑似夾雜也并非夾雜，應該是尺寸細小的含Cu相。

表3 正常組織各探點的能譜分析結果

2.6 斷口掃描能譜分析

將試樣沿裂紋拉開，肉眼觀察其斷口，發現大部分區域呈黑色。斷口掃描照片和能譜結果如圖6和表4所示。從表4的能譜結果得知，斷口的氧含量很高，如1、2位置，結合斷口形貌，認為該斷口為典型的氧化膜型斷口，因此推測可能是氧化膜割裂基體導致裂紋的產生，也就是說從7A04鑄錠中遺留下來的氧化膜夾雜在擠壓變形過程中引發了裂紋的產生。

圖6 斷口掃描照片

表4 斷口中各探點的能譜分析結果

3 分析與討論

3.1 缺陷的本質

通過以上試驗結果分析，認為7A04管材裂紋為鑄造過程中產生的熱裂紋，熱裂紋的產生是由于鑄造過程中產生的氧化膜所致，有裂紋的鑄錠經擠壓后使缺陷拉長，致管材通常存在該缺陷。同時，管材經淬火后將裂紋放大，形成較大的裂紋缺陷。

3.2 環形裂紋的形成機理

經現場排查，該批管材生產是在1月份生產，受天氣影響，水溫偏低，導致管材鑄造中間層的冷速度快從而導致裂紋。分析過程中發現氧化膜也是裂紋起始的原因。

3.3 有效減少鑄造熱裂紋的預防措施

（1）保證漏斗方正或避免漏斗孔堵塞，防止金屬供流不均勻而造成裂紋。

（2）保證結晶器出水均勻，避免鑄錠冷卻不均勻而造成裂紋。

（3）保障水溫，避免因水溫過低而造成的冷卻過強造成裂紋。

（4）保證鑄造溫度，防止鑄造溫度過高而造成冷卻產生裂紋。

（5）保證鑄造過程周圍環境，避免外來物的掉入，同時保證鑄造熔體質量，避免氧化膜等缺陷進入熔體。

4 結論

（1）7A04管材環向裂紋為鑄造過程中產生的環向熱裂紋，熱裂紋的產生是由于鑄造過程中產生的氧化膜所致，鑄錠經擠壓后使缺陷拉長，致管材通常存在該缺陷。同時，管材經淬火后將裂紋放大，形成較大的裂紋缺陷。

（2）有效防止7A04管材環向裂紋措施包括：保證鑄造水溫、保證鑄造過程冷卻均勻、避免外來物及氧化膜等缺陷進入熔體等。

提高強化時效鋁合金變形能力的方法

美國專利US5948185

本發明推薦一種采取折邊方法實現提高結構件連接的強化時效鋁合金塑性的方法。該方法包括在10s內將合金折邊區加熱到250～500℃、對該區進行淬火、淬火之后3h以內進行折邊。淬火軟化區強度的復原通過冷變形(折邊)及后續時效進行。本發明方法用于2×××(Al-Cu-Mg)、6×××(Al-Si-Mg-Cu)和7×××(Al-Zn-Mg-Cu)系合金。

球形連接件中滑動件用鋁合金鑄型鑄件

美國專利 US5954897

本發明涉及一種與鋼制球形件連接的滑動件鑄型鑄件生產用的鋁合金及其生產工藝。該合金含(質量分數，%)：Zn10～25、Si6～10、Cu0.5～3.0、Mn0.1～0.5。熱處理(260～450℃下加熱30min至2h，以大于20℃/s的速度冷卻、自然時效24h)之后，合金具有很高的力學性能(σb＝35～37 kgf/mm2、σ0.2＝24～26kgf/mm2)，以及很高的抗應力腐蝕性能和耐磨性。利用低的加熱速度就可以同時對鑄錠和球形零件進行熱處理，并不降低鋼的性能。

Annular Crack Analysisand Precautionary M easures for 7A04T6Alum inum Alloy Pipew ith Thick W all

GAO Xin-yu
(Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin 150060,China)

s:The cause of 7A04 alum inum alloy pipe crack hasbeen analyzed usingmacrostructure exam ination,m icrostructure exam i?nation,SEM and EDS.Them icrostructure analysis resultsshowed that pipe crackswere hot cracking.Manym icro-crackswere found in the crack region,and the SEM analysisshowed that them icro-crackswere formed during casting.The causesof crack of the 7A04 pipewere analyzed from formationmechanism,and the solutionsare proposed from the casting process.

7A04 aluminum alloy；casting crack；hot cracking

TG376.9

：B

：1005-4898（2017）04-0054-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.13

高新宇（1987-），男，遼寧省鞍山人，工程師。

2017－03－25