2A14瓜瓣化銑后表面粗糙原因分析

■ 徐宋娟，張 凈

2A14（LD10）鋁合金屬Al－Cu－Mg系鋁合金，具有高的機械強度和好的耐熱性，可進行熱處理強化，其加工性能良好，廣泛應用于航空航天領域重要結構件。箱底瓜瓣在拉伸成形后進行化銑加工后發(fā)現(xiàn)，瓜瓣表面存在一扇形區(qū)域較粗糙，呈橘皮狀，明顯區(qū)別于周圍平滑部位。瓜瓣加工工藝：下料→檢驗→預拉伸→淬火→拉伸成形→去余量→檢驗→人工時效→修整型面→化銑→檢驗交付。

1.試驗過程與結果

（1）低倍檢查 分別從瓜瓣粗糙部位和平滑部位取樣進行低倍檢查，腐蝕后發(fā)現(xiàn)粗糙部位晶粒明顯粗大（見圖1），平滑部位晶粒細?。ㄒ妶D2）。根據(jù)GB/T3246.2—2012鋁合金低倍評級圖進行評級，粗糙區(qū)晶粒度為7級（晶粒平均面積36mm2），平滑區(qū)晶粒度為3級（晶粒平均面積1.2mm2）。

圖1 粗糙區(qū)腐蝕后的粗大晶粒

圖2 平滑區(qū)腐蝕后的較細晶粒

（2）金相檢驗 分別截取平滑部位和化銑后粗糙部位橫截面進行鑲嵌試樣，磨拋腐蝕后發(fā)現(xiàn)，粗糙部位板材晶粒粗，另一面（涂膠保護）晶粒較細的（見圖3）；平滑處整個截面晶粒均細小，如圖4所示。板材整個截面組織正常，均為α（Al）+強化相Al2Cu、Mg2Si，未見過燒、過熱現(xiàn)象。

圖3 粗糙部位顯微組織

圖4 平滑部位顯微組織

（3）電鏡觀察及能譜分析將瓜瓣粗糙部位及平滑部位置于電鏡下觀察，形貌如圖5所示。

圖5

分別對兩區(qū)域進行能譜成分分析，結果顯示兩部位成分無明顯差異，主要元素符合2A14材料標準要求。

2.分析討論

瓜瓣化銑工藝是利用強腐蝕溶液，借助有效的保護措施（刷涂化銑保護膠），將成形（如軋制、沖壓、擠壓等）后的不需要的部分去除，從而獲得零件所需尺寸和形狀，是一種特種加工工藝。鋁合金的化銑過程實質是鋁在堿性溶液中的一個化學溶解過程，其化學反應式為：

2Al+2NaOH +2H2O=2NaAlO2+3H2↑

當化學反應在鋁基體表面均勻進行時，化銑后表面平滑連續(xù)；當反應在金屬表面有選擇或有順序進行時，則化銑后表面表現(xiàn)為凹凸不平，較粗糙。

化銑后瓜瓣表面粗糙可能與其熱處理狀態(tài)、晶粒度、變形量等有密切的關系。

從金相檢查結果來看，板材的組織是正常的，無過熱、過燒現(xiàn)象，說明淬火工藝正常；由于為同一塊瓜瓣，也排除熱處理狀態(tài)及晶粒度對瓜瓣化銑后面粗糙的影響。

化銑后瓜瓣粗糙區(qū)有規(guī)律的分布在瓜瓣最大變形區(qū)，說明與變形有關。在熱處理過程中，材料由某一變形程度開始發(fā)生再結晶并且得到粗大晶粒，這一變形程度稱為臨界變形程度。當零件變形量小于臨界變形程度時，退火（淬火）時只發(fā)生多邊化過程，原始晶界只需作短距離遷移就足以消除應變的不均勻性。當變形程度達到臨界變形程度時，個別部位變形不均勻性很大，其驅動力足以引起晶界大規(guī)模移動而發(fā)生再結晶，此時形核率低，因而得到粗大晶粒。此后，在變形程度增大時，形核率不斷提高，再結晶晶粒不斷細化。有關文獻介紹，2A14（LD10）合金的臨界變形量為7.5%。在臨界變形區(qū)內的合金淬火加熱時，晶粒會急驟長大。由工藝流程可知，瓜瓣淬火前進行預拉伸成形，此變形量與原材料板材殘余變形量相疊加正好處于臨界變形程度范圍內，淬火—人工時效后發(fā)生了晶粒長大現(xiàn)象，產(chǎn)生了再結晶粗大晶粒，再繼續(xù)拉伸，就形成了瓜瓣的“橘皮”狀表面，即化銑后瓜瓣表面較粗糙；在拉伸過程中板材不同部位的變形程度不一，當變形量尚未達到此范圍之前或超過此范圍之后，晶粒并不長大，化銑后粗糙度又無顯著變化，因此化銑表面粗糙與其變形量的大小有直接的關系。

3.結語

零件化銑后表面粗糙與淬火預拉伸變形有關，其變形量與原材料板材殘余變形量相疊加正好處于臨界變形程度范圍內，淬火—人工時效后發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象，故引起化銑后瓜瓣表面粗糙。