7A04鋁合金產(chǎn)品黑斑原因分析

(中國(guó)人民解放軍沈陽(yáng)軍事代表局，沈陽(yáng) 110015) (遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045)

7A04鋁合金因其具有密度小、耐蝕性好、熱加工性能好等特點(diǎn)而在某飛行器零部件的制造中得以應(yīng)用。為保證該零部件的長(zhǎng)期存儲(chǔ)性能，必須進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。該零件的具體加工工藝為：下料(?125 mm棒料)→溫?cái)D壓→熱處理(淬火、時(shí)效)→精加工→陽(yáng)極氧化。在陽(yáng)極氧化后發(fā)現(xiàn)個(gè)別零件底部和側(cè)面出現(xiàn)形狀不規(guī)則的黑斑，筆者分別選取底部和側(cè)面有黑斑的零件各一個(gè)，見(jiàn)圖1、圖2。通過(guò)理化檢驗(yàn)，確定了7A04鋁合金產(chǎn)品產(chǎn)生黑斑的原因。

圖1 底部黑斑宏觀形貌

圖2 側(cè)面黑斑宏觀形貌

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)成分分析

在零件基體取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該鋁制產(chǎn)品化學(xué)成分合格。

1.2 金相檢驗(yàn)

分別在底部(1#)和側(cè)面(2#)取樣，進(jìn)行金相檢驗(yàn)。1#試樣在顯微鏡下觀察：缺陷處有大塊化合物，邊界清晰，有的化合物已脫落，形成孔洞，見(jiàn)圖3、圖4。2#試樣缺陷縱向呈現(xiàn)團(tuán)絮狀，見(jiàn)圖5；橫向呈不規(guī)則的凹坑，凹坑深0.13 mm，見(jiàn)圖6。

表1 7A04鋁合金產(chǎn)品化學(xué)成分 %

注：1)為GB/T 3190-1996《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》

圖3 缺陷處的形貌(未侵蝕，100X)

圖4 缺陷處的形貌(未侵蝕，100X)

圖5 黑斑處的縱向形貌(未侵蝕，100X)

圖6 黑斑處的橫向形貌 (未侵蝕，100X)

1.3 能譜分析

圖7、圖8分別是1#試樣的掃描圖像和能譜圖，表2為圖7大塊化合物處的能譜分析結(jié)果。由表2可知，化合物以鋁元素為主，占72.68%，其次為鉻元素和錳元素，分別占12.53%和7.06%，還有釩、鋅、鐵、鈦等元素。

圖7 圖3的掃描圖像

圖8 大塊化合物處的能譜

表2 圖7大塊化合物處的能譜分析結(jié)果

圖9是2#試樣的掃描圖像，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖9 圖6的掃描形貌

表3 凹坑內(nèi)部的能譜分析結(jié)果 %

由表3可知，從外邊緣到凹坑底部，硅、氧、鈣和硫元素含量逐漸減少，而鋁元素含量逐漸增多，其中外邊緣的硅元素和鈣元素分別達(dá)到了4.60%和11.07%，而凹坑底部硅元素的含量0，鈣元素的含量減到0.26%。

2 分析與討論

(1)1#試樣

由能譜分析可知，化合物的主要元素有鋁、鉻、錳，還存在釩、鋅、鐵、鈦等元素，這些元素化合在一起，形成化合物偏析缺陷[1]。產(chǎn)生化合物偏析的原因主要有兩種：一種是配制合金時(shí)所用中間合金中的粗大化合物，在熔煉過(guò)程中沒(méi)有熔化，隨熔體進(jìn)入鑄錠而被保留下來(lái)，形成化合物偏析；另一種原因是在鑄造過(guò)程中由于鑄造溫度、鑄造速度等工藝控制與操作不當(dāng)，而形成化合物偏析。化合物偏析在鋁合金中的分布無(wú)規(guī)律。當(dāng)此缺陷暴露在表面時(shí)，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化后，會(huì)形成黑斑。化合物偏析雖然沒(méi)有破壞金屬的連續(xù)性，但是嚴(yán)重破壞了組織的均勻性，會(huì)使材料的疲勞強(qiáng)度和韌性顯著降低，在該零部件中是不允許存在的缺陷。所以一旦發(fā)現(xiàn)，整批產(chǎn)品應(yīng)做報(bào)廢處理。

(2)2#試樣

鋁合金在存放和使用過(guò)程中易受外界介質(zhì)的影響，產(chǎn)生各種腐蝕破壞。為了減少這種缺陷的發(fā)生，常常進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。陽(yáng)極氧化是在金屬表面生成一層厚達(dá)幾十到幾百微米的氧化膜，阻礙基體金屬繼續(xù)腐蝕，在正常情況下，氧化膜均勻分布在產(chǎn)品的表面，起到防護(hù)作用[2]。但是，從2#試樣能譜分析可以看出，缺陷表面處含有較多量的硅元素和鈣元素，它是砂石的主要成分。在該產(chǎn)品周轉(zhuǎn)運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)有砂石粘附在產(chǎn)品表面，如果在陽(yáng)極氧化前沒(méi)有清理干凈，它會(huì)阻礙鈍化膜的形成，因此在零件表面，鈍化的區(qū)域與未鈍化的區(qū)域會(huì)形成活化-鈍化腐蝕電池[3]，鈍化表面為陰極，而且面積比未形成鈍化膜的活化區(qū)大得多，腐蝕就向深處發(fā)展而形成腐蝕坑，同時(shí)硅元素的電極電位比較高，加速了其周?chē)幕w的腐蝕速度，從而形成局部腐蝕。由于局部腐蝕破壞了基體表層的保護(hù)膜，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的存儲(chǔ)性能帶來(lái)不利影響，是不允許的缺陷，但它是在生產(chǎn)操作中形成的，又產(chǎn)生在產(chǎn)品的表面，因此可用外觀檢驗(yàn)的方法進(jìn)行剔除，故不會(huì)對(duì)整批產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

兩種黑斑雖然外觀基本相同，但是其形成機(jī)理完全不同?；衔锲鍪窃牧显谌蹮掃^(guò)程中形成的，如果裸露在產(chǎn)品表面，在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，就會(huì)形成黑斑，屬于冶金缺陷。局部腐蝕是在生產(chǎn)過(guò)程中由于操作不當(dāng)而產(chǎn)生的缺陷。

對(duì)于有黑斑產(chǎn)品的處理，首先要確定黑斑的成因。一旦確認(rèn)是化合物偏析缺陷，則整批產(chǎn)品要做報(bào)廢處理；如果黑斑是由局部腐蝕引起的，則可利用外觀檢驗(yàn)的方法剔除缺陷產(chǎn)品，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)論

7A04鋁合金產(chǎn)品底部黑斑是由化合物偏析引起的，側(cè)面黑斑是由局部腐蝕引起的。

4 建議

(1)由于化合物偏析的存在可能導(dǎo)致整批產(chǎn)品的報(bào)廢，所以必須對(duì)原材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(2)生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)工藝，在陽(yáng)極氧化前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行清洗，避免引起局部腐蝕。

[1] GB/T 3246.2-2000 變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法[S].

[2] 丁惠麟，辛智華.實(shí)用鋁、銅及其合金金相熱處理和失效分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 梁成浩.金屬腐蝕學(xué)導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.