7075-T4賽峰側(cè)撐桿鍛件表面黑線的原因分析

竭艷麗，盧瀟涵，孫有政，張洪靜，袁少紅，張 波，婁志華，劉 聘

（1.南山集團(tuán)航鑫材料科技有限公司，煙臺264000；2.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060）

7075-T4賽峰側(cè)撐桿鍛件表面黑線的原因分析

竭艷麗1，盧瀟涵2，孫有政1，張洪靜1，袁少紅1，張 波1，婁志華1，劉 聘1

（1.南山集團(tuán)航鑫材料科技有限公司，煙臺264000；2.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060）

牌號為7075-T4鋁合金鍛件是為賽峰生產(chǎn)的側(cè)撐桿用材料。鍛件在做宏觀檢查時，發(fā)現(xiàn)試樣表面有一條沿著金屬流線方向的黑線，黑線長3mm、寬為1mm。光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等分析結(jié)果表明：鍛件表面出現(xiàn)的黑線是“氧化膜”。“氧化膜”的產(chǎn)生與溶體中的潮氣，以及原材料表面污染等因素有關(guān)。這種缺陷是具有不同厚度的氧化膜作為表面的氣泡和疏松形成的分層，這些分層的根本原因是進(jìn)入熔體的水、氧、氫和氫氧化鋁。

7075合金；T4狀態(tài)；鍛件；黑線

1 背景信息

失效型材牌號為7075，狀態(tài)為T4鍛件，鍛件是為賽峰生產(chǎn)的側(cè)撐桿用材料，鍛件批號為B1703001-005。此批號共有6個試樣，其中有2個試樣在做宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)表面有黑色線條缺陷，其中有一塊試樣表面有一條長10mm黑線，另一個黑線長為3mm。缺陷表現(xiàn)形式為：黑線的走向與模鍛件金屬流線方向一致。黑線的存在破壞了組織的連續(xù)性，降低成品率。針對此現(xiàn)象，本次試驗從幾個方面對“黑線”進(jìn)行分析來確定黑線的本質(zhì)，從中找出產(chǎn)生“黑線”的根本原因，為今后生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

2 實驗過程

2.1 宏觀組織檢查

取6個鍛件銑面后在氫氧化鈉水溶液侵蝕10min，經(jīng)水洗、酸洗后，發(fā)現(xiàn)有2個試樣表面有“黑線”。“黑線”的形貌相似，長分別為3mm和10mm，“黑線”的走向與金屬流線方向一致。長度10 mm的“黑線”帶有輕微的小裂口，如圖1所示。除此之外，沒有發(fā)現(xiàn)其他缺陷。

圖1 失效鍛件的宏觀組織

2.2 顯微組織檢查

從長為3mm的“黑線”鍛件上取高倍試樣，經(jīng)磨拋后清洗干凈放在光學(xué)顯微鏡上觀察。如圖2所示，發(fā)現(xiàn)表面有一條長型小裂口，裂口延展方向與金屬流動方向相一致，裂口內(nèi)部是空腔，空腔里未發(fā)現(xiàn)實體物，顏色略暗，是未被壓合的分層。

圖2 失效鍛件的顯微組織

2.3 失效斷口分析

取黑線長為10mm的失效樣品，在黑線長度方向上斷開進(jìn)行斷口組織觀察。發(fā)現(xiàn)在黑線斷裂面上是一條10mm長的“片狀物”，片狀物的長度方向與金屬流線方向一致。在匹配的端口上兩個分層面有良好的對稱面，對稱面顏色為淺灰色，同時還發(fā)現(xiàn)對稱面比相鄰基體略凹，見圖3。

圖3 失效鍛件斷口組織

2.4 失效斷口掃描電鏡能譜分析

圖4中的圖4（a）是正常基體電子掃描圖，正常斷口組織屬于典型的韌窩花樣組織。圖4（b）為缺陷處掃描圖像，缺陷處是淺灰色，呈片狀。從電子掃描圖觀察，缺陷區(qū)組織都是大致均一的連續(xù)的氧化物薄膜，并且都可觀察到爪狀組織，淺灰色片狀物略薄，網(wǎng)絡(luò)大而疏，并沒有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀或塊狀實體物，這與顯微組織觀察相一致。圖4（a）、圖4（b）兩個組織形貌完全不同。

另外，從淺灰色“片狀物”能譜分析結(jié)果（如表1所示）可知，正常基體組織的成分只有Mg、Al、Zn，它們是7系合金的主要元素。而淺灰色“片狀物”組織除了Mg、Al、Zn、Cu主要元素外還含有不同程度的氧、碳元素，氧含量大致在20%～45%左右。

圖4 失效鍛件電子掃描圖

表1 能譜分析結(jié)果

3 氧化膜產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

3.1 鍛件氧化膜產(chǎn)生的原因分析

實驗結(jié)果表明，采用宏觀組織、顯微組織、宏觀斷口以及斷口掃描能譜的分析方法，從缺陷外貌形態(tài)以及黑線的延展方向和斷口上出現(xiàn)的大致均勻?qū)ΨQ的淺灰色“片狀物”以及片狀物成分可判斷，7075-T6合金鍛件表面出現(xiàn)的黑線是“氧化膜”。

這種“片狀物”氧化膜產(chǎn)生的原因是溶體中含氫量過高。形成含氫量過高的因素是由于原料、壁爐、工具、精煉劑、煤氣等水份含量大，另外是因為大量使用廢料，廢料中含有較多的氫氧化鋁腐蝕產(chǎn)物。

下面分析一下這種缺陷的形成過程。當(dāng)水和氧氣進(jìn)入鋁溶體后，立即會發(fā)生下列反應(yīng)[1]：

在高溫下鋁廢料中帶入的氫氧化鋁腐蝕產(chǎn)物會按下式分解放出大量的水氣和氧化物：

其中這些水汽和Al反應(yīng)生成Al2O3和H，這些反應(yīng)生成的γ→Al2O3和氫，有部分原子氫將融入溶體，因為Al2O3有很強(qiáng)的吸附作用，其余的則成為以氧化膜為表面的氫氣泡或含有很多氫的氧化膜。這些懸浮溶體中的氫氣泡會有相當(dāng)一部分殘留到結(jié)晶前的熔體中。當(dāng)金屬開始結(jié)晶時，由于氫在液體或固體中溶解度差別很大，因此氫從熔體中析出，使結(jié)晶前沿形成富集區(qū)，析出的氫一方面可擴(kuò)大原有的氧化物攜帶氣泡的體積，另一方面與收縮疏松結(jié)合形成含有氫的疏松，并且疏松表面也可能是被氧化了的。上述氣泡或疏松在結(jié)晶過程中，由于受枝晶的壓迫和氣體本身的冷收縮，可以改變其形態(tài)和體積，以不連續(xù)的微孔形式分布于枝晶界和某缺陷區(qū)。

在熱加工過程中，鑄錠內(nèi)已經(jīng)變態(tài)的氣泡和疏松沿著金屬流動方向變形，由于固溶體內(nèi)氣體膨脹和氫的再分布，擴(kuò)大了原有的體積，再加上氧化表面和氫的存在，盡管變形很大也不難壓合，始終以分層的形式存在于材料中。當(dāng)做斷口檢查時，這類分層容易斷開形成兩個對稱面顯露出來，以“片狀物”缺陷出現(xiàn)。其對稱面如果氧化程度不同，就會引起有褐色、黃灰色、淺灰色等不同的顏色。在變形量小時，氧化膜及包圍的氣泡以團(tuán)狀物為主，一般在鑄錠上很難看出，只有在較大的變形過程中團(tuán)狀物才能充分沿著變形方向延展易被發(fā)現(xiàn)，其顯微組織是未被壓合的空腔。而這種“氧化膜”缺陷只能出現(xiàn)在軋制和鍛壓變形較大的材料中。綜上所述：7075-T4鍛件上出現(xiàn)的“黑線”就是氧化程度較輕的氫致分層[2]。

3.2 預(yù)防措施

（1）原、輔材料的油污、腐蝕產(chǎn)物、灰塵、泥沙等清除干凈，降低熔體、工具、溶劑、氯氣或氮?dú)獾乃莺浚珶捜垠w時除氣要徹底。

（2）熔體不能過熱，停留時間不能過長，高鎂鋁合金要把熔體表面覆蓋好，防止熔體吸收大量氣體。

（3）熔煉過程中盡量減少反復(fù)補(bǔ)料和沖淡，攪拌方法要正確，防止氧化皮成為碎塊掉入熔體內(nèi)。

（4）鑄造溫度不能偏低，要保證熔體有良好的流動性。

（5）熔體轉(zhuǎn)注過程中，熔體要滿管流動，落差點(diǎn)要封閉。

（6）提高鑄造溫度，降低鑄造速度；在高溫高濕季節(jié)，控制好空氣中的濕度。

4 結(jié)論

（1）7050-T4鍛件上出現(xiàn)的“黑線”是由具有不同氧化程度較輕、厚度大致均勻并且吸附氫的氧化表面的氣泡和疏松所致的分層，即“氧化膜”。

（2）產(chǎn)生分層的根本原因是鋁熔體中混入過多的水、氫、氧和氫氧化鋁腐蝕產(chǎn)物。

（3）“氧化膜”的呈現(xiàn)與軋制或鍛壓變形程度有關(guān)。氧化程度不同，氧化膜顏色也不同。

[1]周家榮，鋁合金熔鑄問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1987

[2]佟長清、莊樹艷.輕合金文集[C].第一集，1983，235-242

Cause Analysis of Black Line on Surface of 7075-T4 Side Brace Forging from Safran

JIE Yan-li1，LU Xiao-han2，SUN You-zheng1，ZHANG Hong-jing1，YUAN Shao-hong1，ZHANG Bo1，LOU ZHi-hua1，LIU Pin1
(Hangxin Material Technology Co.,Ltd.,Yantai 264000;2.Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin 150060,China)

7075-T4 aluminum alloy forging was side brace material produced by Safran.When a macroscopic check was executed,one black line(length 3 mm and width 1mm)was found along the direction of the metal flow line.Macrostructure,fracture morphology and components were analyzed by Optical Microscope(OM),Scanning Electron Microscope(SEM)and Energy Dispersive Spectroscopy(EDS).The analysis results show that the black line on the surface of the forging is"oxidation film".The formation of the oxidation film is concerned with moisture in the melt and surface contamination of the raw material.The defect is the lamination formed by the bubbles and the porosity.The root cause of these lamination is the entry of water,oxygen,hydrogen and aluminum hydroxide into the melt.

7075 alloy；T4；forging；black line

TG319

A

1005-4898(2017)06-0041-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.08

竭艷麗（1962-），女，黑龍江哈爾濱人，高級工程師。

2017-03-21