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·沈陽黎明航空發動機有限責任公司精密鍛造廠

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·沈陽黎明航空發動機有限責任公司精密鍛造廠

通過對2A70鋁合金鍛件陽極化表面顯現的黑色點狀缺陷的形貌、分布狀態的分析研究，找出了黑色點狀缺陷產生的原因，確定了生產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提供借鑒的依據。

背景介紹

在實際生產中發現，2A70鋁合金鍛件經過陽極化處理后，在非加工表面上有黑色點狀缺陷顯現，造成鍛件不合格。缺陷嚴重者，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環節進行實際的跟蹤調查，找出產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的黑色點狀缺陷。

問題提出

2A70鋁合金鍛件經陽極化處理后，在其非加工表面上發現有黑色點狀缺陷顯現，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，經陽極化的鍛件表面的缺陷顯現為黑色，形狀近似點狀。宏觀觀察為鍛件表面上呈無規律分布。對缺陷處進行拋光清理后發現，每個（處）的缺陷深度不同，清理的反復頻次也不同。輕者附在表面，經過拋光清理后可以清除；嚴重者，當缺陷清除后，鍛件在該處的尺寸將接近極限尺寸；特別嚴重者，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簡圖

缺陷產生原因分析

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

缺陷形貌及分布狀態分析

用40倍放大鏡目視缺陷發現，缺陷坑內有黑色物存在，該物質用尖銳硬器可撥動，而且會有粉末狀黑色物質脫落。放大后的缺陷見圖2。分析認為，黑色物質疑是外來物，而非金屬本身固有。

圖2 坯料加工簡圖

生產過程分析

⑴原材料使用狀態分析。

鍛件材料為2A70鋁合金，材料標準為GB/T 3191，坯料尺寸規格為φ70mm×122mm。

圖3為坯料表面狀態，圖4為缺陷放大40倍后得到的形貌。從圖3可以看出：(a)顯示為不規則的圓凹坑狀，疑是被尖銳物質碰撞后產生的痕跡，具有一定的深度；(b)顯示為三角狀，疑是被硬物質刮碰后產生的痕跡，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非常差，各類缺陷分布在圓柱表面，大小不均，分布呈無規律性。目視表面缺陷為圓點狀。對缺陷進行放大40倍后觀察，形狀無規則，深淺不確定。

用尖銳性針具對缺陷底部存在的黑色物質進行撥動，發現黑色物質呈粉狀脫落。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部形成的。

分析認為，這些缺陷經過加熱和鍛造后，會從金屬的表面壓入內部，并有可能向深處進一步延展，形成更加嚴重的缺陷。

在對原材料進行檢查時發現，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。檢查發現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。傷痕的發現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，底部仍然發暗。缺陷仍然存在于經酸洗后的坯料表面，說明缺陷比較嚴重并非是一般的表面污染。

圖5 清理后的坯料表面狀態

觀察時還發現，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。說明清洗水內有懸浮物存在，出水時掛附在坯料表面上。按照規定將缺陷進行刮削、腐蝕、檢查。反復多次后，目視檢查確認缺陷被清除。對缺陷位置做出標記。

2)成形過程分析

對標記的坯料進行預鍛成形。預鍛件經腐蝕和水洗后的表面狀態如圖6所示。通過圖6可以看到，在標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現。

將預鍛件表面上存在的缺陷進行刮削、氈輪拋光、腐蝕清理、檢查，反復多次后經目視檢查確認缺陷已被清除。對缺陷存在的位置做好標記。

對標記的預鍛件進行終鍛成形。圖7為終鍛成形后的鍛件表面狀態。

圖6 預鍛成形的表面狀態圖

圖7 終鍛成形后的表面狀態圖

由圖7可見，終鍛成形的鍛件表面光滑，局部區域有零星的磕碰傷，或者凹坑，但均不是標記位置，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，也沒有發現新的缺陷產生。

綜合分析

通過以上的調查和分析初步確定，黑色點狀缺陷產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、周轉等過程中會產生磕碰傷、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現；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鍛件的表面上。加熱和成形過程中，容易被壓入基體內再次形成坑狀缺陷。

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

控制措施確定

根據上述缺陷產生原因的分析，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、分規格、整齊擺放，相互間或與料架之間要用軟物質隔斷或墊隔，禁止被硬物質磕傷、碰傷、刮傷，嚴禁被污染。

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，以免產生夾痕和污染。

⑶鋁合金表面拋光時要使用氈輪，嚴禁使用砂輪。

⑷鋁合金產品要獨立封裝存放，用專用箱周轉，防止相互撞擊產生傷痕和污染。

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，將其中檢查認為存在著類似圖2所示的且較嚴重的2件坯料分別標刻為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。設備經空擊檢查無可疑物掉落。

⑴預鍛成形試驗。

將缺陷清除干凈的坯料以及留有標記的坯料裝進箱式電爐內進行加熱。預成形后，鍛件在厚度方向上留有3～4mm欠壓量。對預鍛成形的鍛件表面進行檢查發現，在標刻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；標刻2#件的表面條狀缺陷沒有顯示，說明預鍛前已被清除干凈。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，經輕刮削即可清除。

⑵終鍛成形試驗。

將預鍛件表面上存在的缺陷反復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現任何缺陷。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掉落在模具型腔內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

圖9 2#件終鍛成形后的表面狀態

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黑色點狀缺陷。

結束語

本文通過缺陷產生的原因分析研究，確定的控制措施和清理方法，經試驗驗證，得出結論如下：

⑴對缺陷產生的原因進行研究分析后，得出的結果基本正確。

⑵根據分析結果所制定的控制措施和清理方法，經過生產現場試驗驗證是有效的。

⑶經過實際生產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。鍛件合格發出使用。

⑷制定的控制措施已工程化應用。并可以為類似生產控制提供借鑒。