7A04鋁合金產品黑斑原因分析

(中國人民解放軍沈陽軍事代表局，沈陽 110015) (遼沈工業集團有限公司，沈陽 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而在某飛行器零部件的制造中得以應用。為保證該零部件的長期存儲性能，必須進行陽極氧化處理。該零件的具體加工工藝為：下料(?125 mm棒料)→溫擠壓→熱處理(淬火、時效)→精加工→陽極氧化。在陽極氧化后發現個別零件底部和側面出現形狀不規則的黑斑，筆者分別選取底部和側面有黑斑的零件各一個，見圖1、圖2。通過理化檢驗，確定了7A04鋁合金產品產生黑斑的原因。

圖1 底部黑斑宏觀形貌

圖2 側面黑斑宏觀形貌

1 實驗部分

1.1 化學成分分析

在零件基體取樣進行化學成分分析，結果見表1。由表1可知，該鋁制產品化學成分合格。

1.2 金相檢驗

分別在底部(1#)和側面(2#)取樣，進行金相檢驗。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，見圖3、圖4。2#試樣缺陷縱向呈現團絮狀，見圖5；橫向呈不規則的凹坑，凹坑深0.13 mm，見圖6。

表1 7A04鋁合金產品化學成分 %

注：1)為GB/T 3190-1996《變形鋁及鋁合金化學成分》

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果

圖9是2#試樣的掃描圖像，能譜分析結果見表3。

圖9 圖6的掃描形貌

表3 凹坑內部的能譜分析結果 %

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]。產生化合物偏析的原因主要有兩種：一種是配制合金時所用中間合金中的粗大化合物，在熔煉過程中沒有熔化，隨熔體進入鑄錠而被保留下來，形成化合物偏析；另一種原因是在鑄造過程中由于鑄造溫度、鑄造速度等工藝控制與操作不當，而形成化合物偏析。化合物偏析在鋁合金中的分布無規律。當此缺陷暴露在表面時，經過陽極氧化后，會形成黑斑。化合物偏析雖然沒有破壞金屬的連續性，但是嚴重破壞了組織的均勻性，會使材料的疲勞強度和韌性顯著降低，在該零部件中是不允許存在的缺陷。所以一旦發現，整批產品應做報廢處理。

(2)2#試樣

鋁合金在存放和使用過程中易受外界介質的影響，產生各種腐蝕破壞。為了減少這種缺陷的發生，常常進行陽極氧化處理。陽極氧化是在金屬表面生成一層厚達幾十到幾百微米的氧化膜，阻礙基體金屬繼續腐蝕，在正常情況下，氧化膜均勻分布在產品的表面，起到防護作用[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。在該產品周轉運輸過程中，會有砂石粘附在產品表面，如果在陽極氧化前沒有清理干凈，它會阻礙鈍化膜的形成，因此在零件表面，鈍化的區域與未鈍化的區域會形成活化-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大得多，腐蝕就向深處發展而形成腐蝕坑，同時硅元素的電極電位比較高，加速了其周圍的基體的腐蝕速度，從而形成局部腐蝕。由于局部腐蝕破壞了基體表層的保護膜，會對產品的存儲性能帶來不利影響，是不允許的缺陷，但它是在生產操作中形成的，又產生在產品的表面，因此可用外觀檢驗的方法進行剔除，故不會對整批產品質量造成影響。

兩種黑斑雖然外觀基本相同，但是其形成機理完全不同。化合物偏析是原材料在熔煉過程中形成的，如果裸露在產品表面，在陽極氧化過程中，就會形成黑斑，屬于冶金缺陷。局部腐蝕是在生產過程中由于操作不當而產生的缺陷。

對于有黑斑產品的處理，首先要確定黑斑的成因。一旦確認是化合物偏析缺陷，則整批產品要做報廢處理；如果黑斑是由局部腐蝕引起的，則可利用外觀檢驗的方法剔除缺陷產品，以保證產品質量。

3 結論

7A04鋁合金產品底部黑斑是由化合物偏析引起的，側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致整批產品的報廢，所以必須對原材料質量進行嚴格控制。

(2)生產過程中要嚴格執行生產工藝，在陽極氧化前對產品進行清洗，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方法[S].

[2] 丁惠麟，辛智華.實用鋁、銅及其合金金相熱處理和失效分析[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 梁成浩.金屬腐蝕學導論[M].北京：機械工業出版社，1999.