某型号飞机发射器外筒铬酸阳极氧化膜黑色条纹原因分析

2022-07-26李伟葛懿擎闫鹏马金娟程黎明

电镀与涂饰 2022年12期

关键词：基材条纹阳极

李伟，葛懿擎，闫鹏，马金娟，程黎明

（庆安集团有限公司，陕西西安 710077）

某型号飞机发射器的一批外筒在经过铬酸阳极氧化处理后部分零件表面出现黑色条纹，该批故障件为5A06铝合金材质。本文针对该故障进行原因分析，判断该故障是否影响产品的交付和应用。

1 故障现象

1.1 宏观特征

铝合金铬酸阳极氧化膜不透明，呈灰白色到深灰色不等，厚度为1 ～ 5 μm，能够在保持零件精度和表面粗糙度的前提下防止基材被腐蚀，而且膜层质软、弹性好，对原材料的疲劳强度基本无影响。图1示出了该型号发射器表面铬酸阳极氧化膜的正常色泽和黑色条纹，从中可看到故障产品表面黑色条纹呈纵横交错分布。

图1 正常件表面的阳极化膜(a)和故障件表面的黑色条纹(b)Figure 1 Appearance of anodic oxide film on normal part (a) and black stripes on defective part (b)

1.2 微观形貌

采用德国Zeiss Axio Cam MRC5型光学显微镜放大400倍观察铬酸阳极化处理后正常试件和故障件的形貌。从图2可知，正常件和故障件表面都分布着大小不一的凹坑，但后者的凹坑更大、更深，并且凹坑底部呈黑色。

图2 正常件表面阳极化膜(a)和故障件表面黑色条纹(b)的微观形貌Figure 2 Microscopic morphologies of anodic oxide film on normal part (a) and black stripes on defective part (b)

2 故障原因分析

2.1 基材混料排查

为排查生产过程中混料导致误用其他牌号的基材，切取8 cm × 8 cm大小的故障件，车削去掉表面氧化膜后采用德国OBLF QSN750-II型火花直读光谱仪激发6次，分析各元素的质量分数，取平均值，结果见表1。从中可知故障件的基材成分符合GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》对5A06铝合金成分的规定，因此可排除混料情况。

表1 故障件基体中各元素的质量分数Table 1 Mass fractions of different elements in the substrate of defective part (单位：%)

2.2 黑色条纹物质的化学分析

2.2.1 表面成分

采用捷克Tescan VEGAII XMU型扫描电镜(SEM)和英国Oxford X-MAX20型X射线能谱仪(EDS)分析正常件表面氧化膜和故障件表面黑色条纹的元素组成(以质量分数计)[1-3]，结果见图3和表2。

图3 正常件(a)和故障件(b)的EDS分析区域Figure 3 Areas for EDS analysis on normal part (a) and defective part (b)

表2 正常件与故障件表面元素的质量分数Table 2 Mass fractions of elements on surfaces of normal part and defective part (单位：%)

从表2可知，故障件表面黑色条纹处元素C的质量分数远远高于正常氧化膜，初步推测黑色条纹的主要成分是碳化物[4-5]。

2.2.2 纵向元素分布

由于SEM和EDS分析的取样区域过小，为进一步确认C存在于故障件表层，并分析C在零件不同深度的分布，采用Spectruma GDA750型辉光放电发射光谱仪对故障件黑色条纹处进行逐层分析。由表3可知，随着剥离深度的增大，C含量逐渐减小，证实了2.2.1节的推测。

表3 故障件黑色条纹处的部分辉光放电光谱检测结果Table 3 Partial detection results of glow discharge optical emission spectrometry at black stripes on defective part (单位：%)

2.2.3 分子结构分析

刮取故障件表面带黑色条纹的膜层，采用HORIBA HR Evolution型激光拉曼光谱仪进行分析，以确认碳化物的分子结构。由图5可知，该膜层在1 000 ～ 2 000 cm-1范围内的曲线与谱图库中DLC(类金刚石)的曲线接近。因此可以推断，在氧化性极强的铬酸阳极氧化槽中，产品表面附着的化合物反应生成了类似金刚石的复杂化合物[6]。

图5 黑色条纹物质用激光拉曼光谱检测的结果Figure 5 Result of Raman spectroscopic analysis at black stripe

3 解决措施

铝合金拉伸板在成型过程中一般会加入特定的油脂和石墨进行润滑，拉伸成型后通过碱洗将其清除，再中和、清洗。与原材料厂家沟通后得知，该批次问题零件原材料在成型后未碱洗处理。石墨在常温下较稳定，不溶于水、稀酸、稀碱及有机溶剂，但温度较高时碳不仅易氧化，还能与许多金属反应生成金属碳化物。而铬酸阳极氧化处理流程中也无碱洗工序。

综合考虑后，决定在不影响该批次问题零件尺寸的前提下，对其进行碱腐蚀，去除表面黑色化合物后再投入后续生产。碱腐蚀的溶液组成和工艺条件为：NaOH 20 ～ 35 g/L，Na2CO320 ～ 100 g/L，温度40 ～ 55 °C，时间5 ～ 15 s。图6为故障件经碱腐蚀再铬酸阳极氧化处理后的外观，可见膜层呈灰白色，满足后续加工要求。