5A06鋁合金鍛件陽(yáng)極化后表面異常條紋分析

徐秋發(fā)，李東東，李阿妮，李 煦，谷勝民，齊昊幀

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076)

由于鋁合金陽(yáng)極氧化工藝簡(jiǎn)單，容易操作，且防腐效果較好，因此被廣泛用于航天鋁合金產(chǎn)品的表面處理。某航天金屬殼體鍛件材質(zhì)為5A06鋁合金，陽(yáng)極氧化后有兩批次鍛件各一件產(chǎn)品在大端面局部區(qū)域出現(xiàn)了幾條不規(guī)則形狀的淺灰黑色條紋。在這之前，該類鍛件表面從未出現(xiàn)異常條紋現(xiàn)象，并且到貨復(fù)驗(yàn)的低倍組織檢驗(yàn)階段也未觀察到該現(xiàn)象。

從以往的研究報(bào)道中可知，鋁合金表面異常條紋現(xiàn)象主要是由以下原因造成的：一是在鑄造工序造成的化合物偏析[1-7]或雜質(zhì)相[8-10]，二是鋁合金變形程度不均勻[11-14]，三是均勻處理不當(dāng)[15]，四是陽(yáng)極氧化處理不當(dāng)[16]，五是加工較深的刀痕[7]。這些報(bào)道主要涉及鋁合金型材、板材和管材等產(chǎn)品，很少有文獻(xiàn)報(bào)道鋁合金自由鍛件表面出現(xiàn)異常條紋現(xiàn)象。5A06鋁合金鍛件陽(yáng)極氧化后的異常條紋從外觀上很難判斷條紋的性質(zhì)、產(chǎn)生原因。因此，有必要對(duì)該鍛件表面異常條紋進(jìn)行分析，確定異常條紋的性質(zhì)和形成原因，明確異常條紋對(duì)鍛件性能的影響程度，為產(chǎn)品是否可正常使用提供依據(jù)。

1 宏觀形貌

兩件5A06鋁合金鍛件宏觀局部異常條紋形貌分別如圖1所示。在鍛件的大端面局部區(qū)域分別存在約4～7條淺灰黑色條紋，條紋呈不規(guī)則形狀。在鍛件的其他部位未見明顯條紋。

圖1 5A06鋁合金鍛件異常條紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of abnormal stripes on the surface of 5A06 aluminum alloy forgings

2 硬度測(cè)試

由于鍛件表面異常條紋帶的寬帶較窄，因此只能通過測(cè)定淺灰色條紋處和正常部位的硬度值來間接表明異常條紋對(duì)其性能的影響程度。

采用便攜式硬度計(jì)對(duì)圖1a鍛件表面異常條紋部位和正?；w區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)試。從鍛件外圓向內(nèi)逐漸測(cè)試，選取4條痕跡明顯的條紋痕跡，每條條紋測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，取平均值。條紋部位和正常基體區(qū)域測(cè)試結(jié)果分別見表1和表2。從表1和表2數(shù)據(jù)可知，不同條紋痕跡線和正?；w不同區(qū)域的硬度值均存在較小的差別，且由外到內(nèi)硬度值均呈現(xiàn)逐漸變小趨勢(shì)，符合金屬材料變形規(guī)律，條紋痕跡區(qū)域的平均硬度(73.8 HB)與正常區(qū)域的平均硬度(73.6 HB)幾乎一致。

表1 異常條紋的硬度Table 1 Hardness of abnormal stripes

表2 正?；w的硬度Table 2 Hardness of normal matrix

3 對(duì)鍛件生產(chǎn)工序復(fù)查

該鍛件是采用尺寸為Φ680 mm×1 400 mm的5A06鋁合金圓鑄錠進(jìn)行鍛造。主要工藝流程：鑄錠加熱→鍛造→機(jī)加工→退火→陽(yáng)極氧化→探傷→取樣→驗(yàn)收→包裝交貨。

經(jīng)生產(chǎn)廠家對(duì)鍛件各個(gè)生產(chǎn)工序調(diào)查均未發(fā)現(xiàn)有任何異常，鍛件出廠測(cè)試的化學(xué)成分、室溫力學(xué)性能、超聲波探傷和組織檢測(cè)也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。用戶收到兩批次鍛件后均進(jìn)行再次檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果亦符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 問題定位及機(jī)制分析

通常情況，導(dǎo)致鋁合金表面陽(yáng)極化出現(xiàn)色差現(xiàn)象的原因有很多。根據(jù)該兩批次鋁合金鍛件的生產(chǎn)及加工情況可知，造成該兩批次鋁合金鍛件表面出現(xiàn)條紋色差痕跡的原因可能有三種：①在機(jī)加工過程，鍛件表面存在異常加工痕跡，從而在陽(yáng)極氧化后出現(xiàn)痕跡；②由陽(yáng)極氧化工序產(chǎn)生，如陽(yáng)極氧化前，鍛件表面存在腐蝕痕跡未清理干凈，或陽(yáng)極化后表面存在積水未及時(shí)烘干等原因；③坯料在鍛造過程中，金屬沿芯軸外圓流動(dòng)時(shí)造成的變形痕跡。

4.1 鍛件去除氧化膜與重新陽(yáng)極氧化

自從該問題出現(xiàn)后，鍛件機(jī)加工車間和陽(yáng)極氧化車間復(fù)查了相關(guān)工序，均未見異常。為了進(jìn)一步驗(yàn)證不是由機(jī)加工工序和陽(yáng)極氧化工序?qū)е洛懠砻娈a(chǎn)生條紋色差痕跡，對(duì)一個(gè)有異常條紋的鍛件進(jìn)行了去除氧化膜和再陽(yáng)極氧化處理。5A06鋁合金鍛件去除氧化膜后的表面宏觀形貌如圖2所示，可見到明顯的條紋痕跡。

為了不破壞產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員采用手持光譜儀對(duì)條紋痕跡區(qū)域和正?；w區(qū)域進(jìn)行成分測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果顯示，條紋痕跡區(qū)域與正常區(qū)域的化學(xué)元素及其含量均沒有差異。

圖2 異常條紋鍛件去除氧化膜后的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of abnormal stripe forgings after oxidation film removing

利用砂紙將鍛件表面局部條紋痕跡打磨掉(見圖3)。對(duì)打磨掉條紋痕跡的鍛件重新進(jìn)行陽(yáng)極氧化。重新陽(yáng)極氧化后，在打磨掉條紋痕跡的鍛件表面區(qū)域又呈現(xiàn)出灰黑色條紋痕跡，如圖4所示。

圖3 異常條紋經(jīng)砂紙打磨后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of abnormal stripes after sandpaper grinding

圖4 重新陽(yáng)極化后的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology after re-anodizing

從以上去除氧化膜和重新陽(yáng)極氧化的試驗(yàn)和分析結(jié)果可知，5A06鋁合金鍛件表面出現(xiàn)異常條紋痕跡的原因不是由機(jī)加工工序和陽(yáng)極氧化工序造成的。因此，鍛件表面條紋痕跡只可能是由鍛件在鍛造過程中產(chǎn)生的變形痕跡。

4.2 鍛件鍛造過程分析

從鍛件生產(chǎn)工藝中可知，鑄錠加熱后，需要經(jīng)過三次多方鍛，然后進(jìn)行中心沖孔，沖孔后帶芯軸進(jìn)行滾鍛，滾鍛的過程是擴(kuò)內(nèi)、外直徑(沖孔后中間還有鼓肚)，經(jīng)過滾鍛后上、下端頭尺寸一致(如圖5所示)。當(dāng)水壓機(jī)平砧下壓，毛坯的金屬受壓力后，沿著中心芯軸向兩邊流動(dòng)，形成弧形流線(如圖6所示)，水壓機(jī)每壓下一次，坯料轉(zhuǎn)動(dòng)30°后繼續(xù)加壓，直至內(nèi)、外徑達(dá)到要求值。鍛造后的鍛件毛坯見圖7所示。因加壓時(shí)受力點(diǎn)有間距，每個(gè)截面的外層和內(nèi)層在變形流動(dòng)時(shí)有一定的差異，表現(xiàn)出沿受力變形方向的弧形痕跡，在陽(yáng)極化后晶粒也有一定的取向，形成條紋痕跡色差。

圖5 鍛造沖孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of forging and punching

圖6 鍛造流線示意圖Fig.6 Schematic diagram of forging streamline

由于該鍛件是一件一件單獨(dú)滾鍛的，每件下壓的程度和角度都有一定的差異，所產(chǎn)生的金屬流動(dòng)方向、變形程度也不盡相同，有些鍛件流線比較清晰，有些鍛件流線輕微一些。流線輕微的鍛件在陽(yáng)極化后沒有表現(xiàn)出明顯的條紋痕跡。

圖7 鍛造后的鍛件毛坯Fig.7 Blank after forging

由圖1中對(duì)鍛件表面條紋痕跡角度的測(cè)量結(jié)果可知，其角度約為30°，與鍛件鍛造過程中轉(zhuǎn)動(dòng)角度吻合，進(jìn)一步印證了鍛件表面條紋痕跡應(yīng)是由鍛造環(huán)節(jié)造成的變形痕跡。

4.3 分析與討論

從以上分析可知，造成兩批次5A06鋁合金鍛件表面出現(xiàn)條紋痕跡的直接原因是坯料在鍛造過程中鍛件局部變形程度大，導(dǎo)致金屬沿芯軸外圓流動(dòng)時(shí)形成變形痕跡。鍛件去除氧化膜后用手持光譜儀檢測(cè)結(jié)果表明，痕跡區(qū)域與正常區(qū)域的化學(xué)成分沒有差異，說明這種變形痕跡不會(huì)影響鍛件的化學(xué)成分，只會(huì)影響鍛件變形痕跡區(qū)域的晶粒取向。當(dāng)變形痕跡區(qū)域與正常區(qū)域的晶粒取向存在一定區(qū)別時(shí)，在陽(yáng)極氧化階段，鍛件表面生成的氧化膜層次、形態(tài)等不同，而不同的氧化膜對(duì)可見光的反射效果不同，進(jìn)而導(dǎo)致在鍛件外觀上呈現(xiàn)了條紋色差痕跡。

由條紋痕跡區(qū)域與正常區(qū)域鍛件表面硬度測(cè)試結(jié)果可知，兩個(gè)區(qū)域的平均硬度幾乎相同，說明5A06鋁合金鍛件表面條紋痕跡不影響鍛件的力學(xué)性能。

綜合以上分析可知，兩個(gè)鍛件表面條紋痕跡不影響產(chǎn)品化學(xué)成分和力學(xué)性能，用戶可以正常使用。

5 結(jié) 論

1)通過對(duì)5A06鋁合金鍛件生產(chǎn)、檢測(cè)、機(jī)加工及陽(yáng)極氧化過程的復(fù)查和驗(yàn)證，該鍛件表面異常痕跡產(chǎn)生的原因是由生產(chǎn)廠鍛造鍛件坯料過程中，由于金屬沿芯軸外圓流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的變形痕跡，在后續(xù)的陽(yáng)極氧化過程呈現(xiàn)出灰黑色條紋痕跡。

2)鍛造變形痕跡對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能無影響，用戶可以正常使用。