李偉，葛懿擎，閆鵬，馬金娟，程黎明

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077）

某型號(hào)飛機(jī)發(fā)射器的一批外筒在經(jīng)過(guò)鉻酸陽(yáng)極氧化處理后部分零件表面出現(xiàn)黑色條紋，該批故障件為5A06鋁合金材質(zhì)。本文針對(duì)該故障進(jìn)行原因分析，判斷該故障是否影響產(chǎn)品的交付和應(yīng)用。

1 故障現(xiàn)象

1.1 宏觀特征

鋁合金鉻酸陽(yáng)極氧化膜不透明，呈灰白色到深灰色不等，厚度為1 ～ 5 μm，能夠在保持零件精度和表面粗糙度的前提下防止基材被腐蝕，而且膜層質(zhì)軟、彈性好，對(duì)原材料的疲勞強(qiáng)度基本無(wú)影響。圖1示出了該型號(hào)發(fā)射器表面鉻酸陽(yáng)極氧化膜的正常色澤和黑色條紋，從中可看到故障產(chǎn)品表面黑色條紋呈縱橫交錯(cuò)分布。

圖1 正常件表面的陽(yáng)極化膜(a)和故障件表面的黑色條紋(b)Figure 1 Appearance of anodic oxide film on normal part (a) and black stripes on defective part (b)

1.2 微觀形貌

采用德國(guó)Zeiss Axio Cam MRC5型光學(xué)顯微鏡放大400倍觀察鉻酸陽(yáng)極化處理后正常試件和故障件的形貌。從圖2可知，正常件和故障件表面都分布著大小不一的凹坑，但后者的凹坑更大、更深，并且凹坑底部呈黑色。

圖2 正常件表面陽(yáng)極化膜(a)和故障件表面黑色條紋(b)的微觀形貌Figure 2 Microscopic morphologies of anodic oxide film on normal part (a) and black stripes on defective part (b)

2 故障原因分析

2.1 基材混料排查

為排查生產(chǎn)過(guò)程中混料導(dǎo)致誤用其他牌號(hào)的基材，切取8 cm × 8 cm大小的故障件，車削去掉表面氧化膜后采用德國(guó)OBLF QSN750-II型火花直讀光譜儀激發(fā)6次，分析各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取平均值，結(jié)果見表1。從中可知故障件的基材成分符合GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》對(duì)5A06鋁合金成分的規(guī)定，因此可排除混料情況。

表1 故障件基體中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fractions of different elements in the substrate of defective part (單位：%)

2.2 黑色條紋物質(zhì)的化學(xué)分析

2.2.1 表面成分

采用捷克Tescan VEGAII XMU型掃描電鏡(SEM)和英國(guó)Oxford X-MAX20型X射線能譜儀(EDS)分析正常件表面氧化膜和故障件表面黑色條紋的元素組成(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))[1-3]，結(jié)果見圖3和表2。

圖3 正常件(a)和故障件(b)的EDS分析區(qū)域Figure 3 Areas for EDS analysis on normal part (a) and defective part (b)

表2 正常件與故障件表面元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass fractions of elements on surfaces of normal part and defective part (單位：%)

從表2可知，故障件表面黑色條紋處元素C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常氧化膜，初步推測(cè)黑色條紋的主要成分是碳化物[4-5]。

2.2.2 縱向元素分布

由于SEM和EDS分析的取樣區(qū)域過(guò)小，為進(jìn)一步確認(rèn)C存在于故障件表層，并分析C在零件不同深度的分布，采用Spectruma GDA750型輝光放電發(fā)射光譜儀對(duì)故障件黑色條紋處進(jìn)行逐層分析。由表3可知，隨著剝離深度的增大，C含量逐漸減小，證實(shí)了2.2.1節(jié)的推測(cè)。

表3 故障件黑色條紋處的部分輝光放電光譜檢測(cè)結(jié)果Table 3 Partial detection results of glow discharge optical emission spectrometry at black stripes on defective part (單位：%)

2.2.3 分子結(jié)構(gòu)分析

刮取故障件表面帶黑色條紋的膜層，采用HORIBA HR Evolution型激光拉曼光譜儀進(jìn)行分析，以確認(rèn)碳化物的分子結(jié)構(gòu)。由圖5可知，該膜層在1 000 ～ 2 000 cm-1范圍內(nèi)的曲線與譜圖庫(kù)中DLC(類金剛石)的曲線接近。因此可以推斷，在氧化性極強(qiáng)的鉻酸陽(yáng)極氧化槽中，產(chǎn)品表面附著的化合物反應(yīng)生成了類似金剛石的復(fù)雜化合物[6]。

圖5 黑色條紋物質(zhì)用激光拉曼光譜檢測(cè)的結(jié)果Figure 5 Result of Raman spectroscopic analysis at black stripe

3 解決措施

鋁合金拉伸板在成型過(guò)程中一般會(huì)加入特定的油脂和石墨進(jìn)行潤(rùn)滑，拉伸成型后通過(guò)堿洗將其清除，再中和、清洗。與原材料廠家溝通后得知，該批次問(wèn)題零件原材料在成型后未堿洗處理。石墨在常溫下較穩(wěn)定，不溶于水、稀酸、稀堿及有機(jī)溶劑，但溫度較高時(shí)碳不僅易氧化，還能與許多金屬反應(yīng)生成金屬碳化物。而鉻酸陽(yáng)極氧化處理流程中也無(wú)堿洗工序。

綜合考慮后，決定在不影響該批次問(wèn)題零件尺寸的前提下，對(duì)其進(jìn)行堿腐蝕，去除表面黑色化合物后再投入后續(xù)生產(chǎn)。堿腐蝕的溶液組成和工藝條件為：NaOH 20 ～ 35 g/L，Na2CO320 ～ 100 g/L，溫度40 ～ 55 °C，時(shí)間5 ～ 15 s。圖6為故障件經(jīng)堿腐蝕再鉻酸陽(yáng)極氧化處理后的外觀，可見膜層呈灰白色，滿足后續(xù)加工要求。

圖6 增加堿腐蝕后陽(yáng)極氧化膜的外觀Figure 6 Appearance of anodic oxide film obtained on substrate pretreated by alkaline etching

對(duì)于未投入使用的該批次原材料，返回給廠家。此外，對(duì)未投入生產(chǎn)的其他批次的原材料進(jìn)行復(fù)查，確保都經(jīng)過(guò)化學(xué)堿洗才投產(chǎn)。