7A04合金棒材表面加工處理后質(zhì)量缺陷及預(yù)防措施

楊亞平

(中國(guó)鋁業(yè)西北鋁加工分公司，甘肅 隴西 748111)

7A04T6圓棒材在使用過程中出現(xiàn)表面質(zhì)量問題。經(jīng)詳細(xì)了解，用戶經(jīng)車削加工成半成品后，放置不到兩個(gè)月表面出現(xiàn)氧化、起泡、化合物脫落等不同程度的質(zhì)量問題；成件表面處理后，有表面拉毛、起麻點(diǎn)、沙孔、裂縫等缺陷。從上述信息判斷主要是棒材的抗腐蝕性較差，以及形成的化合物較多造成的。為了找到造成產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生的原因，針對(duì)7A04T6合金材料腐蝕產(chǎn)生的原因和化合物的形成機(jī)理，找出其解決問題的突破點(diǎn)。

1 腐蝕產(chǎn)生的原因

1.1 合金元素及雜質(zhì)的影響

7A04合金的化學(xué)成分見表1。

表1 7A04合金成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

該合金為鋁—鋅—鎂—銅系合金，這類合金對(duì)應(yīng)力腐蝕十分敏感。

合金元素或雜質(zhì)，隨著條件的不同，或加速腐蝕，或抑制腐蝕。其效果根據(jù)它們是以固溶狀態(tài)存在還是以異相析出而有所不同。一般來說，雜質(zhì)或合金元素在位錯(cuò)、晶界處的聚集沉淀常會(huì)導(dǎo)致某些局部腐蝕的發(fā)生。

Fe和Si是鋁中的主要雜質(zhì)，組成了一些雜質(zhì)相(FeAl3、α-AlMnSi、Si等)，由于這些雜質(zhì)相質(zhì)脆，在加工過程中破壞了表面氧化膜的完整性，并且它們是陰極相，從而降低了鋁的耐蝕性。鐵、硅含量應(yīng)控制在3%以下。

7A04合金Zn、Mg是主要強(qiáng)化元素，它們共同存在時(shí)會(huì)形成η(MgZn2)和Τ(Al2Mg3Zn3)強(qiáng)化相。η和Τ這些強(qiáng)化相都屬于陽極相。當(dāng)Zn/Mg比大于2.2且銅含量大于鎂時(shí)，銅與其它元素能產(chǎn)生強(qiáng)化相S(CuMgAl2)。有的可以改善合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，有的則會(huì)降低合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，這主要是銅能降低晶內(nèi)與晶界電位差，還可以改變沉淀相結(jié)構(gòu)和細(xì)化晶界沉淀相，可抑制延晶界開裂的趨勢(shì)，改善了合金的抗應(yīng)力腐蝕性能；但當(dāng)Cu含量大于3%時(shí)，合金的抗腐蝕性反而變壞，這主要由合金中的Zn、Mg含量來確定。因Zn/Mg比值不應(yīng)大于3，Zn和Mg含量的提高，可使強(qiáng)度、硬度大大提高，但會(huì)使塑性、應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)和斷裂韌性降低。而若向合金中加入少量的鉻(0.1～0.2%Cr)，則合金的晶粒細(xì)長(zhǎng)，可以改善其抗應(yīng)力腐蝕性能。

1.2 晶體缺陷

晶體缺陷處的原子往往有較高的能量，化學(xué)性活潑，成為優(yōu)先溶解的潛在位置。

位錯(cuò)等晶體缺陷與晶界對(duì)腐蝕的影響，常常成為實(shí)際腐蝕問題的起因。晶界的原子排列一般較紊亂，晶體缺陷較多，又有雜質(zhì)富集，因此，晶界原子的能量高于晶內(nèi)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。雜質(zhì)和合金元素在晶界的析出，導(dǎo)致晶界附近合金元素濃度分布不均勻，進(jìn)而造成晶界附近金屬的腐蝕行為和晶內(nèi)其它部分不一樣。

總之，晶體缺陷將影響金屬表面膜的厚度、強(qiáng)度、附著力、孔隙度、著稱于溶解度等，因此也就影響到該金屬的腐蝕行為。點(diǎn)蝕多發(fā)生于晶界處。

1.3 表面狀態(tài)

金屬材料的表面狀態(tài)對(duì)其腐蝕行為有大的影響，特別是在弱腐蝕環(huán)境下的腐蝕，如大氣腐蝕等有極顯著的影響。金屬表面粗糙增加了水分的吸附量，水與腐蝕物質(zhì)的吸附促進(jìn)金屬腐蝕。一般來說，金屬表面越是均勻、光滑，所生成的表面鈍化膜耐蝕性越好。所以，機(jī)械加工粗糙或機(jī)械劃傷都能增加該材料對(duì)點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕的敏感性。

腐蝕過程中，在金屬表面上作為非活性沉淀鹽析出的腐蝕產(chǎn)物，一般具有抑制腐蝕的作用。但是，沉淀物表面覆蓋不均勻或疏松多孔時(shí)，則由于氧濃差電池的形成，能促進(jìn)不均勻腐蝕的發(fā)生。

1.4 熱處理

從腐蝕角度看，以消除內(nèi)應(yīng)力、使成分均勻化為目的的熱處理能提高耐蝕性，尤其是對(duì)抑制局部腐蝕的發(fā)生更為有效。但不適當(dāng)熱處理會(huì)促使材料不均質(zhì)化，增加了對(duì)晶間腐蝕的敏感性，如固溶熱處理時(shí)過飽和固溶元素的晶界析出促進(jìn)了局部腐蝕的發(fā)生。

熱處理工藝和淬火冷卻速度對(duì)合金的腐蝕行為有著明顯的影響。當(dāng)7A04在淬火自然時(shí)效狀態(tài)下，并且呈單相的過飽和固溶體時(shí)，合金沒有晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的傾向；當(dāng)合金處于淬火人工時(shí)效狀態(tài)時(shí)，便有晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的傾向。

7A04合金當(dāng)人工時(shí)效處于欠時(shí)效狀態(tài)時(shí)，MgZn2呈連續(xù)彌散的質(zhì)點(diǎn)分布在無析出帶中間，合金對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂十分敏感；當(dāng)合金過時(shí)效狀態(tài)時(shí)，MgZn2呈斷續(xù)的聚集狀質(zhì)點(diǎn)分布在無析出帶中間，合金便具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。

熱處理可使產(chǎn)品產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可使超硬鋁發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)，應(yīng)經(jīng)過應(yīng)力釋放處理，以避免這種腐蝕。

1.5 內(nèi)部應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力會(huì)使金屬內(nèi)部晶格扭擰，產(chǎn)生大量位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)等晶體缺陷，這些因素可以影響局部腐蝕及應(yīng)力腐蝕。

在應(yīng)力的作用下，超硬鋁合金的應(yīng)力腐蝕要比硬鋁合金嚴(yán)重得多。而且硬鋁合金和超硬鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為還有一個(gè)不同點(diǎn)，即硬鋁合金的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性和晶間腐蝕的敏感性是一致的，但對(duì)超硬鋁合金來說，兩者關(guān)系則是不一致的。淬火自然時(shí)效的超硬鋁合金沒有晶間腐蝕的傾向，但卻有十分嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕斷裂傾向，其主要原因是合金中存在著很大的內(nèi)應(yīng)力。

2 化合物形成機(jī)理

金屬化合物是不溶于基體金屬中的各種金屬化合物初晶。金屬化合物是一種硬脆相，其熔點(diǎn)高，硬度高，多呈片狀或針條狀，在加工過程中不易變形，使制品分層，給材料的多種性能帶來影響。為了抑制再結(jié)晶和使再結(jié)晶晶粒細(xì)化，提高強(qiáng)度，防止應(yīng)力腐蝕裂紋等目的，添加了Mn、Cr、Ti等元素，如果成分選擇和控制不當(dāng)，再加上熔煉溫度稍低，或鑄造條件不當(dāng)，在鑄造的結(jié)晶過程中就產(chǎn)生粗大的金屬化合物。

化合物生成必須具備成分和溫度兩個(gè)條件，而半連續(xù)和連續(xù)鑄造方法同時(shí)具備了兩個(gè)條件?；衔镄纬傻脑蚴菫榱烁纳坪辖鸬慕M織性能而添加的元素在控制不當(dāng)時(shí)，達(dá)到生成化合物初晶的成分范圍；在鑄造時(shí)鑄錠的凝固溫度處于化合物生成的溫度范圍，由于7A04合金結(jié)晶溫度范圍寬，使它有充分的生長(zhǎng)時(shí)間，是金屬化合物生成有了溫度條件。在鑄錠凝固過程中，由于溶質(zhì)不溶于基體金屬，使局部元素富集，熔體成分不均勻，給化合物生成創(chuàng)造了成分條件；同時(shí)，作為細(xì)化劑或?yàn)榱烁纳畦T造工藝而加入的其它元素也有促成化合物形成的作用。而半連續(xù)澆鑄方法也給化合物生成創(chuàng)造了形核和長(zhǎng)大的條件，在鑄造條件下，化合物往往是在漏斗底部生成晶核，隨熔體溫度的降低，液穴中自由長(zhǎng)大的金屬化合物一次晶可能掉入結(jié)晶面而成為單獨(dú)存在的化合物晶體，或結(jié)晶前沿傾斜度大時(shí)，在漏斗底部生長(zhǎng)的化合物初晶由于某種原因而掉入結(jié)晶面，集中于鑄錠的中心部位。另外，組成爐料的中間合金，復(fù)化料在熔制時(shí)早已生成的化合物，在熔煉過程中沒有熔化而隨液體帶入鑄錠中而保留下來。還有某些元素接近標(biāo)準(zhǔn)上限時(shí)，可能形成化合物一次晶?？傊衔锏囊淮尉删秃茈y在以后的加工中消除，應(yīng)從各方面而嚴(yán)加控制，防止化合物的出現(xiàn)。

7A04合金可能出現(xiàn)的化合物為FeMn)Al6、Al(FeMn)Si等。

3 預(yù)防措施

3.1 防止化合物形成采取的工藝措施

① 化學(xué)成分的控制

根據(jù)合金化合物的形成原因，在生產(chǎn)中要保證熔煉溫度，嚴(yán)格控制化學(xué)成分，降低或減少可能形成化合物的元素含量。7A04合金中要嚴(yán)格控制Fe含量不能高于0.3%， Si含量應(yīng)控制在0.25%以下，鋅-鎂比值不大于3。這樣不但能控制化合物的生成，也能改善鑄造性能，其成分配料控制見表2。

表2 7A04合金成分控制范圍(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

② 適當(dāng)提高鑄造溫度

使鑄錠液穴中的溫度升高，過冷度減少，可降低化合物的長(zhǎng)大速度有利于細(xì)化化合物的一次晶，使其成為細(xì)小的點(diǎn)狀分布。其鑄造溫度為730—750℃。

③ 適當(dāng)提高鑄造速度

增加冷卻強(qiáng)度，使化合物一次晶質(zhì)點(diǎn)在液穴中停留時(shí)間縮短，抑制其長(zhǎng)大,其鑄造速度為25—35mm/min。

④ 漏斗表面要光滑，導(dǎo)熱要好,漏斗要充分預(yù)熱,漏斗不能沉入太深。

3.2 防止制品腐蝕應(yīng)采取的工藝措施

為了避免制品在車削加工和氧化處理過程中，產(chǎn)生表面腐蝕現(xiàn)象，在保證鑄造質(zhì)量的前提下還應(yīng)采用如下方法：

① 鑄錠進(jìn)行均勻化處理。

② 淬火時(shí)應(yīng)采用高溫快速冷卻的方式進(jìn)行，淬火溫度470～475℃，冷卻速度不大于20s。

③采用135±5℃/16h的人工時(shí)效,或107±5℃/7h+177±5℃/7h的分級(jí)時(shí)效制度可以獲得很好的抗應(yīng)力腐蝕性能。

④ 淬火后進(jìn)行(1～3)%拉伸矯直，消除內(nèi)應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕開裂。

⑤ 機(jī)械加工要光滑，不允許機(jī)械劃傷，反之易形成點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕。

⑥ 經(jīng)車削加工后的制品，為了防止大氣腐蝕，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行氧化處理。

4 結(jié)論

通過分析影響表面腐蝕的原因，以及研究化合物形成的機(jī)理，針對(duì)表面產(chǎn)生的各種缺陷，提出了防止金屬化合物形成和細(xì)化的方法，以及防止制品腐蝕應(yīng)采取的工藝措施，解決了車削加工表面后產(chǎn)生的缺陷，滿足了用戶的使用要求。

[1] 王祝堂，田榮璋《鋁合金及其加工手冊(cè)》，中南工業(yè)大學(xué)出版社，1989年6月 第125～130頁，第139～140頁，第252頁

[2]謝水生、劉靜安、黃國(guó)杰 《鋁加工生產(chǎn)技術(shù)500問》，化學(xué)工業(yè)出版社，2008年4月，第54～57頁，第550～551頁