7A04铝合金产品黑斑原因分析

2011-01-23

化学分析计量 2011年1期

(中国人民解放军沈阳军事代表局，沈阳 110015) (辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045)

7A04铝合金因其具有密度小、耐蚀性好、热加工性能好等特点而在某飞行器零部件的制造中得以应用。为保证该零部件的长期存储性能，必须进行阳极氧化处理。该零件的具体加工工艺为：下料(∅125 mm棒料)→温挤压→热处理(淬火、时效)→精加工→阳极氧化。在阳极氧化后发现个别零件底部和侧面出现形状不规则的黑斑，笔者分别选取底部和侧面有黑斑的零件各一个，见图1、图2。通过理化检验，确定了7A04铝合金产品产生黑斑的原因。

图1 底部黑斑宏观形貌

图2 侧面黑斑宏观形貌

1 实验部分

1.1 化学成分分析

在零件基体取样进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，该铝制产品化学成分合格。

1.2 金相检验

分别在底部(1#)和侧面(2#)取样，进行金相检验。1#试样在显微镜下观察：缺陷处有大块化合物，边界清晰，有的化合物已脱落，形成孔洞，见图3、图4。2#试样缺陷纵向呈现团絮状，见图5；横向呈不规则的凹坑，凹坑深0.13 mm，见图6。

表1 7A04铝合金产品化学成分 %

注：1)为GB/T 3190-1996《变形铝及铝合金化学成分》

图3 缺陷处的形貌(未侵蚀，100X)

图4 缺陷处的形貌(未侵蚀，100X)

图5 黑斑处的纵向形貌(未侵蚀，100X)

图6 黑斑处的横向形貌 (未侵蚀，100X)

1.3 能谱分析

图7、图8分别是1#试样的扫描图像和能谱图，表2为图7大块化合物处的能谱分析结果。由表2可知，化合物以铝元素为主，占72.68%，其次为铬元素和锰元素，分别占12.53%和7.06%，还有钒、锌、铁、钛等元素。

图7 图3的扫描图像

图8 大块化合物处的能谱

表2 图7大块化合物处的能谱分析结果

图9是2#试样的扫描图像，能谱分析结果见表3。

图9 图6的扫描形貌

表3 凹坑内部的能谱分析结果 %

由表3可知，从外边缘到凹坑底部，硅、氧、钙和硫元素含量逐渐减少，而铝元素含量逐渐增多，其中外边缘的硅元素和钙元素分别达到了4.60%和11.07%，而凹坑底部硅元素的含量0，钙元素的含量减到0.26%。

2 分析与讨论

(1)1#试样

由能谱分析可知，化合物的主要元素有铝、铬、锰，还存在钒、锌、铁、钛等元素，这些元素化合在一起，形成化合物偏析缺陷[1]。产生化合物偏析的原因主要有两种：一种是配制合金时所用中间合金中的粗大化合物，在熔炼过程中没有熔化，随熔体进入铸锭而被保留下来，形成化合物偏析；另一种原因是在铸造过程中由于铸造温度、铸造速度等工艺控制与操作不当，而形成化合物偏析。化合物偏析在铝合金中的分布无规律。当此缺陷暴露在表面时，经过阳极氧化后，会形成黑斑。化合物偏析虽然没有破坏金属的连续性，但是严重破坏了组织的均匀性，会使材料的疲劳强度和韧性显著降低，在该零部件中是不允许存在的缺陷。所以一旦发现，整批产品应做报废处理。

(2)2#试样

铝合金在存放和使用过程中易受外界介质的影响，产生各种腐蚀破坏。为了减少这种缺陷的发生，常常进行阳极氧化处理。阳极氧化是在金属表面生成一层厚达几十到几百微米的氧化膜，阻碍基体金属继续腐蚀，在正常情况下，氧化膜均匀分布在产品的表面，起到防护作用[2]。但是，从2#试样能谱分析可以看出，缺陷表面处含有较多量的硅元素和钙元素，它是砂石的主要成分。在该产品周转运输过程中，会有砂石粘附在产品表面，如果在阳极氧化前没有清理干净，它会阻碍钝化膜的形成，因此在零件表面，钝化的区域与未钝化的区域会形成活化-钝化腐蚀电池[3]，钝化表面为阴极，而且面积比未形成钝化膜的活化区大得多，腐蚀就向深处发展而形成腐蚀坑，同时硅元素的电极电位比较高，加速了其周围的基体的腐蚀速度，从而形成局部腐蚀。由于局部腐蚀破坏了基体表层的保护膜，会对产品的存储性能带来不利影响，是不允许的缺陷，但它是在生产操作中形成的，又产生在产品的表面，因此可用外观检验的方法进行剔除，故不会对整批产品质量造成影响。

两种黑斑虽然外观基本相同，但是其形成机理完全不同。化合物偏析是原材料在熔炼过程中形成的，如果裸露在产品表面，在阳极氧化过程中，就会形成黑斑，属于冶金缺陷。局部腐蚀是在生产过程中由于操作不当而产生的缺陷。

对于有黑斑产品的处理，首先要确定黑斑的成因。一旦确认是化合物偏析缺陷，则整批产品要做报废处理；如果黑斑是由局部腐蚀引起的，则可利用外观检验的方法剔除缺陷产品，以保证产品质量。