铸铝阀体装配不良失效分析

B39H 压铸铝合金阀体出现装配孔白色异物导致装配失效。经形貌观测、成分分析、截面剖析与时效试验，判定异物为磷化铝水解产物，根源是压铸变质剂残留大颗粒 AlP。优化 Al‑P 中间合金品质可解决批量不良。

某阀体在完成后，部分产品的个别装配孔内表面出现白色异物，导致对手件无法与孔进行正常装配，且单个缺陷处的异物随着放置时间的延长存在尺寸增大的情况，如图1。阀体材质为B39H压铸铝合金，主要加工制程为：压铸→机加（大面及装配孔）→清洗→干燥。根据客户要求，实验室对该缺陷进行失效分析测试，以期找出其异常原因。

检测分析过程

1 光学表面观察：

光学显微镜观察可见缺陷处异物呈灰白色，且异物并非附着于孔内表面，而是聚集在坑洞内，坑洞形状不规则，尺寸超过600μm，如图2。

2 表面形貌观察及成分分析：

SEM形貌观察结果表明，缺陷处异物局部较为松散，其余部位较为平坦致密，如图3。 EDS测试结果表明，在缺陷处异物上（谱图 1~5）检测出C、O、Al、Si、P元素，部分位置检测出Ca、Fe元素。除C元素外，缺陷处的异物主要含O、Al、P元素，如表1所示。将样品浸入酒精，并加超声波清洗，对缺陷及样品其他位置的常规铸造孔洞进行SEM形貌对比观察，如图4。

①样品清洗后可见缺陷处异物基本已去除， 坑洞形态明显，坑洞内表面由多个平坦的小平面组成，未见腐蚀形貌，排除坑洞为腐蚀坑洞及异物为腐蚀产物的可能；

②常规铸造孔洞内形貌粗糙，可见枝晶， 与缺陷处的坑洞存在明显差异，排除缺陷处坑洞为常规铸造孔洞的可能。

3 切片观察：

对另一处缺陷截面研磨抛光，采用3D光学显微镜对缺陷截面及基材内部其他位置进行观察，如图5。

①从截面可见缺陷处的坑洞内存在明显异物，异物底部可见黄绿色结晶状杂质，其深度约214.10μm，其表面轮廓较为平坦，未见腐蚀形貌。异物高出产品装配孔内表面约23.74μm，且异物边缘可见变形凸起的铝合金基材，这是导致对手件装配异常的直接原因；

②在基材内部其他位置亦存在较大尺寸（125.14μm）的黄绿色结晶状杂质。

4 截面形貌观察及成分分析：

对切片样品截面进行SEM+EDS成分分析，如图6及表2所示：

①从截面可见缺陷处上部的异物较为密实，该部分异物即为装配孔内表肉眼所见异物，其下方为较松散的杂质，最底部为板条状致密的杂质，基材内部亦可见松散杂质以及板条状致密杂质。

② EDS测试结果表明，无论是在缺陷处异物杂质上，还是在基材内部的杂质上，除C元素外，均只检测出O、Al、P元素，推测松散杂质与异物应为同一物质。

③缺陷处的谱图2~5以及基材内部杂质处的谱图1~3，其P元素含量均较高， 尤其是基材内部杂质处的谱图1~3对应的O元素含量较低，可认为该处的板条状杂质主要由 Al、P元素组成，且两种元素的相对比例与化合物磷化铝（AlP）中Al/P的相对质量比接近，查询化学手册可知磷化铝为淡黄色或灰绿色晶体，因而根据化学成分及性状可推测黄绿色板条状杂质应为磷化铝。

5 截面观察及成分分析（样品截面放置8小时后）：

将切片样品截面置于室内环境中8小时后，再对其进行3D光学显微镜观察及SEM+EDS成分分析，如图7与表3所示。

①放置8小时后，可见缺陷处异物底部的黄绿色杂质以及基材内部的黄绿色杂质全部变为灰白色，其性状与失效件装配孔内表面所见灰白色异物相同；

② SEM形貌可见黄绿色杂质变为灰白色后其结构亦变得膨胀松散，该形态与前述松散异物和松散杂质的形态相同；

③EDS测试结果表明，缺陷处异物底部的杂质与基材内部的杂质变为灰白色后，其成分相近，均由以Al、P元素为主并含有少量O元素，变为以Al、O元素为主并含有少量P元素（除C元素外）；

④随着杂质变为灰白色，其附近铝合金基材发生变形凸起。

6 金相组织（基材）

对基材进行金相腐蚀，采用金相显微镜观察，如图8：黑色不规则块状为孔洞， 白色为α固溶体，深灰色块状为初晶Si，深灰色条状为共晶Si，浅灰色为含Cu相。

7 常用材料化学成分（基材）

采用火花原子光谱仪对基材进行化学成分分析，如表4所示，样品基材化学成分符合客户要求的成分规格。

8 异物来源分析

根据产品基材的金相组织、化学成分及用途，可推测该铝合金基材在铸造过程中需进行变质处理。据客户反映，该产品的原始铝锭在铸造过程中会添加一定量的Al-P中间合金（AlP 4.5）进行变质处理。为追溯阀体内黄绿色杂质的来源， 实验室对该中间合金进行取样，研磨抛光后进行表面观察及SEM+EDS成分分析， 如图9、图10及表 5。

①Al-P中间合金经研磨抛光后，采用3D光学显微镜观察发现其基体内存在大量（较大者尺寸超过 400μm）黄绿色物质，其形态与阀体样品内发现的黄绿色杂质相同；

②SEM+EDS分析结果表明中间合金内黄绿色物质（谱图1、谱图2及谱图3）的化学成分与阀体样品内黄绿色杂质的化学成分相近，推测二者均为磷化铝（AlP）。

分析结论

1. 装配孔内表面的灰白色异物嵌于坑洞内，坑洞并非腐蚀孔洞和铸造孔洞。 异物主要含 O、Al 及少量 P 元素，而 Mg、Cl、Fe 可能为加工过程中引入的外来元素。
2. 缺陷处异物及附近铝合金基材高出装配孔内表面，从而直接导致装配孔与对合件装配异常。
3. 在缺陷处异物的底部及基材内部其他位置均发现有较大尺寸的黄绿色结晶状杂质，放置一段时间后黄绿色杂质变为灰白色，其化学成分亦由以Al、P元素为主，并含有少量O元素变为以 Al、O元素为主，并含有少量P元素。推测黄绿色结晶状杂质应为磷化铝（AlP），根据化学手册可知磷化铝为淡黄色或灰绿色晶体，极易与空气中的水分发生如下化学反应：AlP + 3H₂O → Al(OH)₃ + PH₃（气体）；缺陷处的截面在空气中放置一段时间后磷化铝杂质发生了如上反应，PH₃气体扩散到空气中，而 Al(OH)₃固体即成为灰白色的异物，同时由于残留了少量P，因而异物成分以 Al、O元素为主，并含有少量P元素（EDS无法检测H元素）。发生该反应时，产物不断生成，且体积膨胀，使附近铝合金基材发生变形凸起，从而导致装配异常，这也解释了客户所反映的灰白色异物随放置时间延长发生长大的现象。
4. 在用于原始铸锭变质处理的Al-P中间合金（AlP4.5）内发现有大块的磷化铝（AlP）。Al-P中间合金中的P以磷化铝的形式存在，磷化铝的熔点（>1100℃）远高于熔融铝液的温度（730±30℃），变质时中间合金中细小的磷化铝颗粒分散到熔融铝液内直接作为初晶硅的异质形核核心，从而改善铸态组织，但大尺寸的磷化铝不利于变质处理，而且会一直残留至阀体产品内，最终导致阀体出现装配异常。
5. 客户根据检测结果，对变质剂Al-P中间合金中磷化铝颗粒尺寸进行了改进，产品不良率大大降低。

失效分析数据附件

图1 失效阀体样品图

图 2 失效阀体异常位置宏观形貌图

图3 失效阀体异常位置SEM形貌及EDS测试点位

图4 样品清洗后缺陷与铸造孔洞SEM形貌

图 5 样品截面研磨抛光后观察

图6 样品截面SEM形貌及EDS测试点位

图7 样品截面放置8小时后形貌及EDS测试点位

图 8 基材金相组织

图 9 Al-P 中间合金样品照片

图 10 Al-P中间合金研磨抛光后3D光学显微镜观察及EDS测试点位

表 1 失效阀体异常位置 EDS 测试结果(wt%)

表 2 样品截面EDS测试结果(wt%)

表3 样品截面放置8小时后EDS测试结果(wt%)

表 4 样品基材化学成分

表 5 Al-P中间合金研磨抛光后EDS测试结果(wt%)