文/李貴全，王曉穎，鄭碩·沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司精密鍛造廠

鋁合金鍛件表面點狀缺陷的分析與控制

文/李貴全，王曉穎，鄭碩·沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司精密鍛造廠

通過對2A70鋁合金鍛件陽極化表面顯現(xiàn)的黑色點狀缺陷的形貌、分布狀態(tài)的分析研究，找出了黑色點狀缺陷產(chǎn)生的原因，確定了生產(chǎn)過程的改進方法和控制措施，有效地解決了黑色點狀缺陷問題。該方法可以為類似的鋁合金鍛件生產(chǎn)提供借鑒的依據(jù)。

背景介紹

在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，2A70鋁合金鍛件經(jīng)過陽極化處理后，在非加工表面上有黑色點狀缺陷顯現(xiàn)，造成鍛件不合格。缺陷嚴(yán)重者，會因清除量過大造成鍛件非加工表面尺寸超差，最終導(dǎo)致鍛件報廢。本研究擬通過對黑色點狀缺陷的形貌、分布狀態(tài)的分析研究，對涉及到成形的原材料以及鍛造工藝路線等重要因素和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行實際的跟蹤調(diào)查，找出產(chǎn)生黑色點狀缺陷的原因，制定出控制和改進措施，對整個鍛造生產(chǎn)過程實施有效地改進和控制，徹底解決2A70鋁合金陽極化后顯現(xiàn)的黑色點狀缺陷。

問題提出

2A70鋁合金鍛件經(jīng)陽極化處理后，在其非加工表面上發(fā)現(xiàn)有黑色點狀缺陷顯現(xiàn)，鍛件檢查判定為不合格，需要清除缺陷后重新進行陽極化處理。鋁合金鍛件點狀缺陷如圖1所示。觀察圖1可以看出，經(jīng)陽極化的鍛件表面的缺陷顯現(xiàn)為黑色，形狀近似點狀。宏觀觀察為鍛件表面上呈無規(guī)律分布。對缺陷處進行拋光清理后發(fā)現(xiàn)，每個（處）的缺陷深度不同，清理的反復(fù)頻次也不同。輕者附在表面，經(jīng)過拋光清理后可以清除；嚴(yán)重者，當(dāng)缺陷清除后，鍛件在該處的尺寸將接近極限尺寸；特別嚴(yán)重者，缺陷清除后，鍛件因在該處的尺寸超差而報廢。

圖1 鍛件陽極化表面狀態(tài)簡圖

缺陷產(chǎn)生原因分析

對陽極化后的鍛件表面顯現(xiàn)的黑色點狀缺陷的形貌、分布狀態(tài)以及原材料和成形等全過程進行跟蹤調(diào)查和對調(diào)查到的資料進行了整理和分析。

缺陷形貌及分布狀態(tài)分析

用40倍放大鏡目視缺陷發(fā)現(xiàn)，缺陷坑內(nèi)有黑色物存在，該物質(zhì)用尖銳硬器可撥動，而且會有粉末狀黑色物質(zhì)脫落。放大后的缺陷見圖2。分析認(rèn)為，黑色物質(zhì)疑是外來物，而非金屬本身固有。

圖2 坯料加工簡圖

生產(chǎn)過程分析

⑴原材料使用狀態(tài)分析。

鍛件材料為2A70鋁合金，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3191，坯料尺寸規(guī)格為φ70mm×122mm。

圖3為坯料表面狀態(tài)，圖4為缺陷放大40倍后得到的形貌。從圖3可以看出：(a)顯示為不規(guī)則的圓凹坑狀，疑是被尖銳物質(zhì)碰撞后產(chǎn)生的痕跡，具有一定的深度；(b)顯示為三角狀，疑是被硬物質(zhì)刮碰后產(chǎn)生的痕跡，也具有一定的深度；(c)為條狀，疑是壓痕；(d)為麻坑狀，呈區(qū)域性分布。

圖3 鍛造裂紋示意圖

圖4 放大后的缺陷形貌

圖片顯示的坯料表面狀態(tài)非常差，各類缺陷分布在圓柱表面，大小不均，分布呈無規(guī)律性。目視表面缺陷為圓點狀。對缺陷進行放大40倍后觀察，形狀無規(guī)則，深淺不確定。

用尖銳性針具對缺陷底部存在的黑色物質(zhì)進行撥動，發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)呈粉狀脫落。分析判斷，該黑色物不是原材料本身固有的，疑是外來物從表面壓入金屬內(nèi)部形成的。

分析認(rèn)為，這些缺陷經(jīng)過加熱和鍛造后，會從金屬的表面壓入內(nèi)部，并有可能向深處進一步延展，形成更加嚴(yán)重的缺陷。

在對原材料進行檢查時發(fā)現(xiàn)，鋁合金棒料用銹蝕的鋼筋捆綁后存儲在露天庫房的鋼軌上。檢查發(fā)現(xiàn)在棒材的表面上有許多各種形貌的傷痕，傷痕的底部有黑色污染物存在。傷痕的發(fā)現(xiàn)印證了上述分析和判斷。

⑵成形過程分析。

對鋁合金鍛造過程之中可能產(chǎn)生上述缺陷的工序進行檢查分析。

1)腐蝕清理過程分析

將帶有缺陷的規(guī)格坯料放入腐蝕液中進行一定時間的堿蝕處理。堿蝕后先后進行熱冷水沖洗處理。處理后的坯料表面狀態(tài)如圖5所示。

觀察圖5可以看出，坯料表面雖然有所改善，但是存在于表面的缺陷并沒有被清除，依然清晰可見，底部仍然發(fā)暗。缺陷仍然存在于經(jīng)酸洗后的坯料表面，說明缺陷比較嚴(yán)重并非是一般的表面污染。

圖5 清理后的坯料表面狀態(tài)

觀察時還發(fā)現(xiàn)，在水洗后的坯料表面上有黑色附著物，用脫脂棉輕輕擦拭便被去除。說明清洗水內(nèi)有懸浮物存在，出水時掛附在坯料表面上。按照規(guī)定將缺陷進行刮削、腐蝕、檢查。反復(fù)多次后，目視檢查確認(rèn)缺陷被清除。對缺陷位置做出標(biāo)記。

2)成形過程分析

對標(biāo)記的坯料進行預(yù)鍛成形。預(yù)鍛件經(jīng)腐蝕和水洗后的表面狀態(tài)如圖6所示。通過圖6可以看到，在標(biāo)記的位置上仍有可見的黑色斑點，但程度有所減輕。說明坯料上帶有的缺陷在鍛造前沒有被完全清除掉，拋光時被磨痕和鋁屑覆蓋，腐蝕和水洗不徹底而沒有被發(fā)現(xiàn)。

將預(yù)鍛件表面上存在的缺陷進行刮削、氈輪拋光、腐蝕清理、檢查，反復(fù)多次后經(jīng)目視檢查確認(rèn)缺陷已被清除。對缺陷存在的位置做好標(biāo)記。

對標(biāo)記的預(yù)鍛件進行終鍛成形。圖7為終鍛成形后的鍛件表面狀態(tài)。

圖6 預(yù)鍛成形的表面狀態(tài)圖

圖7 終鍛成形后的表面狀態(tài)圖

由圖7可見，終鍛成形的鍛件表面光滑，局部區(qū)域有零星的磕碰傷，或者凹坑，但均不是標(biāo)記位置，且痕跡底部光亮無污染。對鍛件實體進行檢查，無任何原缺陷遺留痕跡，也沒有發(fā)現(xiàn)新的缺陷產(chǎn)生。

綜合分析

通過以上的調(diào)查和分析初步確定，黑色點狀缺陷產(chǎn)生的原因和途徑主要是：

⑴在金屬材料的儲存保管、下料、機加工、周轉(zhuǎn)等過程中會產(chǎn)生磕碰傷、刮傷以及夾持壓痕等缺陷。缺陷進入棒材表層以下太深，傷痕底部遭受油污等臟物的嚴(yán)重污染是造成黑色點狀缺陷的原因；擠壓鋁合金棒材本身不會產(chǎn)生上述缺陷。

⑵清除鋁合金缺陷時，如果采用砂輪拋光，由于坯料表面被沙粒劃出很深的磨削痕跡，缺陷容易被掩蓋而不被發(fā)現(xiàn)；砂輪上的沙粒脫落后粘在坯料上也可能形成缺陷。

⑶清洗用的冷熱水中懸浮有大量的顆粒狀污染物，如果水洗后的沖洗或風(fēng)吹不徹底，污染物容易掛附在坯料表面上。干燥后便被遺留在坯料或預(yù)鍛件的表面上。加熱和成形過程中，容易被壓入基體內(nèi)再次形成坑狀缺陷。

⑷鍛造成形前，如果缺陷沒有被徹底清除，經(jīng)過反復(fù)的加熱和鍛壓，（黑色點坑）缺陷將會被壓進鍛件內(nèi)部，而且隨著加熱和成形次數(shù)的增加，深度也會越來越深，缺陷會變得越來越嚴(yán)重。

控制措施確定

根據(jù)上述缺陷產(chǎn)生原因的分析，確定控制措施和解決方法，并進行試驗驗證。

控制措施

⑴鋁合金擠壓棒材存儲要分類、分規(guī)格、整齊擺放，相互間或與料架之間要用軟物質(zhì)隔斷或墊隔，禁止被硬物質(zhì)磕傷、碰傷、刮傷，嚴(yán)禁被污染。

⑵對于有非加工表面的鍛件，坯料在機械加工時，夾持器具要干凈，夾具與材料之間要有隔層，以免產(chǎn)生夾痕和污染。

⑶鋁合金表面拋光時要使用氈輪，嚴(yán)禁使用砂輪。

⑷鋁合金產(chǎn)品要獨立封裝存放，用專用箱周轉(zhuǎn)，防止相互撞擊產(chǎn)生傷痕和污染。

⑸清洗腐蝕液的水要保持清潔，攪拌時無懸浮物漂浮，坯料或鍛件清洗后要用清潔干燥的壓縮空氣吹干表面。

⑹清除表面磕碰傷等具有一定深度的缺陷要使用刮刀等銳器，采用氈輪拋光。

⑺清除的表面要采用輕刮削，目視法檢查表面。

試驗驗證

按照控制措施，投入帶有缺陷的2A70鋁合金坯料20件，將其中檢查認(rèn)為存在著類似圖2所示的且較嚴(yán)重的2件坯料分別標(biāo)刻為1#和2#，作為典型件進行重點控制。驗證工藝仍然采用二次成形方式。

鍛造前將水基石墨潤滑劑進行過濾，噴槍和輸液管為全新水洗。設(shè)備經(jīng)空擊檢查無可疑物掉落。

⑴預(yù)鍛成形試驗。

將缺陷清除干凈的坯料以及留有標(biāo)記的坯料裝進箱式電爐內(nèi)進行加熱。預(yù)成形后，鍛件在厚度方向上留有3～4mm欠壓量。對預(yù)鍛成形的鍛件表面進行檢查發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)刻1#件的表面原缺陷處仍有明顯的坑狀缺陷顯示，但是深度明顯變淺，尺寸變小，但底部仍顯黑色，如圖6中顯示；標(biāo)刻2#件的表面條狀缺陷沒有顯示，說明預(yù)鍛前已被清除干凈。其他鍛件的表面，目視檢查在個別的位置上有零星的點狀缺陷顯示，但都非常淺且尺寸小，經(jīng)輕刮削即可清除。

⑵終鍛成形試驗。

將預(yù)鍛件表面上存在的缺陷反復(fù)進行刮削和氈輪拋光、腐蝕水洗清理后，對其表面進行輕刮削，直到目視檢查沒有缺陷為止。缺陷位置標(biāo)記后進行終鍛成形。終鍛成形后鍛件見圖8和圖9。對終鍛成形的鍛件表面進行檢查，在1#件和2#件的非加工表面上沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。說明原有的黑色點狀缺陷在終鍛前已被完全清除干凈，終鍛成形過程中也沒有任何堅硬的顆粒狀物質(zhì)掉落在模具型腔內(nèi)或鍛件上形成點狀缺陷。其余18件鍛件，有的在局部有輕微磕碰傷，稍微刮削后即清除干凈。

圖8 1#件終鍛成形后的表面狀態(tài)

圖9 2#件終鍛成形后的表面狀態(tài)

⑶陽極化處理驗證。

將20件鋁合金鍛件進行陽極化處理后，在非加工表面上沒有出現(xiàn)黑色點狀缺陷。

結(jié)束語

本文通過缺陷產(chǎn)生的原因分析研究，確定的控制措施和清理方法，經(jīng)試驗驗證，得出結(jié)論如下：

⑴對缺陷產(chǎn)生的原因進行研究分析后，得出的結(jié)果基本正確。

⑵根據(jù)分析結(jié)果所制定的控制措施和清理方法，經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場試驗驗證是有效的。

⑶經(jīng)過實際生產(chǎn)條件下的試驗驗證的鍛件，最終檢查100%合格，陽極化后鍛件表面無點狀缺陷。鍛件合格發(fā)出使用。

⑷制定的控制措施已工程化應(yīng)用。并可以為類似生產(chǎn)控制提供借鑒。