原标题：ADC12铝合金基座的开裂机制分析

摘要：利用扫描电镜、金相显微镜、电感耦合等离子发射光谱仪等手段,对ADC12合金云台基座失效样品进行组织及成分分析，并借助弹塑性有限元法分析了云台基座在使用过程中由于急停等操作所受到的应力分布情况。结果表明，ADC12合金在铸造过程中产生大量的缩孔、偏析等缺陷，特别是在弯角部位，存在偏析瘤。这些缺陷，导致合金的力学性能严重下降。此外，在基座底部前后端与高台的交界处存在应力集中。因此，在铸造缺陷及使用过程中应力集中的综合影响下，导致ADC12压铸铝合金云台基座的开裂失效。

目前,设备轻量化的迫切需求使得高比强度材料的应用更为广泛。铝及其合金具有较高的比强度，是装备构件轻量化的首选材料。ADC12合金为Al-Si-Cu系铝合金，Cu作为强化元素，能固溶于铝基体中或形成细小的强化相(主要为Al2Cu相和Al5Cu2Mg8Si6相)，可以提高合金的抗蠕变性能及硬度。ADC12合金压铸件成品率高、表面质量好、尺寸精度高，适合大批量生产，广泛应用于汽车变速箱、发动机气缸、家电零部件以及各类电子产品外壳和连接件等。由于使用量巨大，保证压铸件的质量稳定性一直是加工的关键。压铸铝合金构件的失效，主要与压铸工艺参数、铸件结构设计以及模具设计等因素有关，因此，通过模拟构件的运行工况及服役条件，从构件结构优化设计的角度，进行预先分析对提高压铸件的使用寿命尤为重要。目前，有关ADC12合金的研究主要侧重于合金成分的优化，对于压铸过程中组织缺陷的分布以及缺陷对合金力学性能的影响报道较少。本课题针对ADC12合金压铸成形的安防机器人云台基座，进行运动过程中的急停测试试验，云台基座底部发生开裂失效。采用光学金相、扫描电镜、电感耦合等离子发射光谱仪等手段进行观察分析，同时结合弹塑性有限元方法数值模拟，旨在理解ADC12压铸铝合金基座在使用过程中受力情况及开裂失效的机理，为进一步的基座构件结构优化设计提供参考。

1、试验材料及方法

试验材料为开裂失效的ADC12压铸铝合金基座，见图1。在可靠性测试过程中，在图中标识位置(基座底部与高台的交界处)发生开裂，裂纹贯穿整个部件，导致零件报废。

图1：云台基座

将失效部位利用SYJ-150精密切割机切取样品5个(见图1b)，其中2个进行清洗，去除表面污染物后，利用FEI Sirion 200扫描电镜(SEM)进行断口观察及相结构分析；另外2个样品进行注模、打磨抛光、化学浸蚀后利用VHX-5000 3D数字显微镜进行金相分析，并利用HVS-1000MZ显微维氏硬度计进行硬度分析。其余样品通过电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES: Agilent 5100 VDV)进行成分分析，并与对应牌号的标准成分进行对比分析。

随后采用弹塑性力学有限元分析软件ANSYS，建立数学模型，对安防机器人急停操作过程中云台基座的受力情况进行数值模拟，分析应力分布与构件开裂的关联性。

2、试验结果与分析

2.1合金成分及断口分析

切取断口附近样品进行ICP成分分析，并与标准成分进行对比，结果见表1.

表1：ADC12铝合金化学成分

从表1可以看到，失效样品中Mg含量与Zn含量超标。少量的Mg可以与Si形成Mg2Si强化相，有效提高合金的性能，但是当Mg含量过高时，其球状和块状的析出相转变成条状和棒状析出相，且不均匀地分布于晶界，造成合金力学性能下降。此外，合金的硬度也将随着Mg含量升高而升高，样品失效部位的硬度值为119 HV，未失效部位的硬度值为117 HV，均超过了ADC12合金标准要求的80 HV。硬度升高导致合金脆性增大，韧性下降。Zn元素与α-Al基体形成固溶体，可以有效地强化合金的力学性能，但是Zn元素在合金中的体收缩率较高，使得压铸铝合金有较高的收缩倾向。并且，合金中Cu含量低于标准要求。Cu含量的减少会使金属间化合物Al2Cu减少。Al2Cu相属于硬质点强化相，在合金凝固过程中的前期就弥散析出，可以细化铸态组织，提高合金的韧性。铜含量过低，将导致合金强度下降。

图2：构件断口形貌特征

图3为断口组织的SEM表面形貌分析。可以看出，断口中存在脆性断裂区域和韧性断裂区域，且存在明显的撕裂棱，因此可以判断ADC12压铸铝合金基座断裂为准解理断裂。断口处存在尺寸不一的偏析瘤，图3a中偏析瘤尺寸超过2 mm, 另外，在大偏析瘤周围存在少量小尺寸偏析瘤，尺寸约为100μm，见图3b。浇注开始时，熔融金属液在型腔内部急骤冷却并凝固，在此过程中发生体积收缩，从而使得铸锭表面与模具内表面之间形成空隙。此时，该处铸锭表面被二次加热而发生重熔，这时在金属的静压力和低熔点析出相二次重熔体所形成的附加应力共同作用下，含有大量低熔点共晶的熔融金属液，将沿晶间和枝晶间的缝隙，进入铸锭与模具之间的空隙，凝结成偏析瘤。

图3：断口处偏析瘤组织形貌特征

从图3b中可以看到，铝合金基体与偏析瘤之间存在较大缝隙，偏析瘤的存在，极大地降低了合金的力学性能，在合金使用的过程中极易造成开裂失效。断口处缩孔组织见图4。

图4：断口处缩孔组织形貌特征

从图4a可以看出，在断口部位存在大量的缩孔，这些缩孔的存在，将极大降低铝合金的抗拉强度及伸长率。在缩孔周围出现大量β-AlFeMnSi相富集(见图4b)，β-AlFeMnSi相为Fe元素在铝中形成的脆性有害相，该析出相的富集将破坏金属基体的连接强度，大幅降低合金的力学性能。

2.2合金组织分析

切取部分断口，制备金相样品，通过HF-HNO3-HCl水溶液浸蚀后观察分析,见图5。可以看出，其金相组织由等轴α-Al，α-Al-Si共晶相组成，同时由金相组织可以观察到，在基体中存在灰色块状或片状析出相，其尺寸为10~50 μm。通过扫描电镜还可以观察到细小的亮色析出相，其尺寸约为5 μm。通过EDS对上述两种析出相进行成分分析，见图6，经过分析，认为这两种析出相分别为β-AlFeMnSi相和的Al2Cu相。

图5：ADC12铝合金金相组织特征

图6：析出相EDS成分分析

由金相照片可以观察到合金中存在大量的铸造缺陷。部分缩孔尺寸达到200μm，见图7a。缩孔的存在，减少了铸件的有效截面，当缩孔有尖角时，会引起应力集中，因而，显著降低铸锭的力学性能，如塑性、冲击韧性、疲劳性能等。

图7：ADC12铝合金铸造组织缺陷 (a)缩孔， (b)微裂纹， (c)偏析

此外，存在大量的微裂纹，其往往伴生在缩孔周围，少量微裂纹尺寸超过1 mm(见图7b)。微裂纹主要为存在于共晶相晶界位置的晶间裂纹，主要是由铸造过程中的热应力导致的热裂纹。对于微裂纹的形成，存在多种理论，其中液膜理论认为，铸锭的热裂与凝固末期在晶间残留的液膜的性质及其厚度有关。金属凝固时，若铸锭收缩受阻，铸锭内部将产生拉应力，液膜会在拉应力的作用下被拉伸，当拉应力达到一定数值，液膜就会发生破裂，从而形成晶间热裂纹，这种热裂的形成与诸多因素有关，其中液膜的表面张力和厚度为主要的影响因素。当拉应力垂直于液膜时，液膜拉断所需的拉力P为：

式中，σ为液膜的表面张力; F为晶体与液膜的接触面积; b为液膜厚度。可以看出，将液膜拉断所需要的应力与液膜的表面张力及晶体与液膜的接触面积成正比，而与液膜的厚度成反比。液膜表面张力的大小与合金的成分和铸锭冷却条件有关，而液膜厚度则取决于晶粒的尺寸，晶粒尺寸越小，液膜厚度越薄，抗热裂的能力越强。此外，由于合金中Zn含量超标导致压铸过程中收缩倾向较高，加剧了缩孔和微裂纹的产生。合金组织中微裂纹的存在，破坏了金属组织的连续性，在铸件使用的过程中微裂纹极易扩展，最后导致铸件开裂失效。

进一步的金相组织分析显示，合金中存在少量的大尺寸偏析(见图7c)，其尺寸在400~500 μm之间，分布在铸件表面附近，在偏析内部发现部分枝晶，该结构为典型的偏析瘤组织，与断口分析中发现的偏析瘤相对应。

2.3 云台基座在使用过程中的应力分布

云台基座在使用过程中需要承受整个云台的质量，约为15 kg。智能机器人在某些极端条件下，需要在20 km/h的急速状态刹停，在急停过程中，云台由于惯性作用将对底座产生极大的拉/压应力。

通过对使用工况的调查，利用弹塑性有限元分析方法，建立数学模型，划分网格，设置边界条件及载荷，在基座底部4个螺孔位置施加固定边界条件，顶部4个螺孔施加急停时的云台惯性所造成的扭矩。云台基座在机器人急停过程中受到应力的分布情况，见图8。

(a)基座正面应力分布, (b)基座背面应力分布, (c)基座前侧应力集中区域, (d)基座后侧应力集中区域

图8：云台基座在机器人急停时的应力分布

从模拟结果可以看到，在智能机器人急停过程中，在巨大的加速度和云台惯性的作用下，云台基座底部前后端与基座高台直角交界处以及底部螺孔位置出现应力集中。螺孔位置底部有承托，开裂风险较低，而基座底部前后端与高台直角交界处底部无承托，从图8c、图8d中可以看到，在云台急停的过程中，云台基座前端拐角处最大应力达到115 MPa，而后端应力值也得到107 MPa，明显高于其他位置。虽然应力值低于该合金的屈服强度165 MPa，但由于此处存在着大量的铸造组织缺陷，力学性能显著降低，因此，此处的应力集中将大大增加合金发生开裂的可能性。目前出现的产品的失效位置都发生在基座底部前后端与高台直角交界处，与数值模拟中应力集中的位置相一致，说明基座失效与其在使用过程的中产生的应力集中有关。安防机器人在运行过程中，不断的急停、急走操作，使得在基座底部前后端与高台直角交界处产生的应力集中不断循环往复，极易造成该位置内部的铸造组织缺陷及裂纹发生扩展。

结合云台基座的形状特点，发现该零件模具设计存在诸多不合理之处，如在基座底部与高台交界处采用直角过度，没有设计倒角等平缓过渡以提高熔体的通过性，以及浇口位置设计不合理，使得熔体在模具内行程过长，导致在基座底部与基座高台交界处产生大量的铸造缺陷。而缺陷富集处与应力集中发生的位置相重叠，加速了零件的断裂失效。

3、结论

(1) ADC12合金云台基座在铸造过程中，部分合金成分超标，铸造组织中存在气孔、微裂纹、偏析瘤等缺陷，导致合金的力学性能下降。

(2)智能机器人在使用过程中的急停操作，由于云台的惯性对基座造成拉/压应力，并在基座底部前后端与高台交界处产生了应力集中。在拉/压应力循环作用下，加之合金内部铸造缺陷，多重因素导致基座最终开裂失效。

(3)在模具设计的过程中，需要充分利用有限元数值模拟方法分析浇注时熔体在模具内的流动情况以及零件在使用过程中的应力分布情况，改善模具设计，减少铸造缺陷，避免使用过程中的应力集中，从而提高压铸件的可靠性和使用寿命。

作者：

肖将楚 冉红锋 朱毅
深圳长城开发科技股份有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第03期