7075-T4賽峰側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.南山集團航鑫材料科技有限公司，煙臺264000；2.東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060）7075-T4賽峰側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.南山集團航鑫材料科技有限公司，煙臺264000；2.東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060）牌號為7075-T4鋁合金鍛件是為賽峰生產的側撐桿用材料。鍛件在做宏觀檢查時，發現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。光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等分析結果表明：鍛件表面出現的黑線是“氧化膜”。“氧化膜”的產生與溶體中的潮氣，以及原材料表面污染等因素有關。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入熔體的水、氧、氫和氫氧化鋁。7075合金；T4狀態；鍛件；黑線1背景信息失效型材牌號為7075，狀態為T4鍛件，鍛件是為賽峰生產的側撐桿用材料，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現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性，降低成品率。針對此現象，本次試驗從幾個方面對“黑線”進行分析來確定黑線的本質，從中找出產生“黑線”的根本原因，為今后生產工藝的改進提供理論依據。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，經水洗、酸洗后，發現有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10mm的“黑線”帶有輕微的小裂口，如圖1所示。除此之外，沒有發現其他缺陷。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，經磨拋后清洗干凈放在光學顯微鏡上觀察。如圖2所示，發現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，裂口內部是空腔，空腔里未發現實體物，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行斷口組織觀察。發現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，同時還發現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，缺陷區組織都是大致均一的連續的氧化物薄膜，并且都可觀察到爪狀組織，淺灰色片狀物略薄，網絡大而疏，并沒有發現點狀或塊狀實體物，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能譜分析結果3氧化膜產生原因及預防措施3.1鍛件氧化膜產生的原因分析實驗結果表明，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，從缺陷外貌形態以及黑線的延展方向和斷口上出現的大致均勻對稱的淺灰色“片狀物”以及片狀物成分可判斷，7075-T6合金鍛件表面出現的黑線是“氧化膜”。這種“片狀物”氧化膜產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物。下面分析一下這種缺陷的形成過程。當水和氧氣進入鋁溶體后，立即會發生下列反應[1]：在高溫下鋁廢料中帶入的氫氧化鋁腐蝕產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反應生成Al2O3和H，這些反應生成的γ→Al2O3和氫，有部分原子氫將融入溶體，因為Al2O3有很強的吸附作用，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一部分殘留到結晶前的熔體中。當金屬開始結晶時，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，使結晶前沿形成富集區，析出的氫一方面可擴大原有的氧化物攜帶氣泡的體積，另一方面與收縮疏松結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，可以改變其形態和體積，以不連續的微孔形式分布于枝晶界和某缺陷區。在熱加工過程中，鑄錠內已經變態的氣泡和疏松沿著金屬流動方向變形，由于固溶體內氣體膨脹和氫的再分布，擴大了原有的體積，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。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狀物才能充分沿著變形方向延展易被發現，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鍛件上出現的“黑線”就是氧化程度較輕的氫致分層[2]。3.2預防措施（1）原、輔材料的油污、腐蝕產物、灰塵、泥沙等清除干凈，降低熔體、工具、溶劑、氯氣或氮氣的水份含量，精煉熔體時除氣要徹底。（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補料和沖淡，攪拌方法要正確，防止氧化皮成為碎塊掉入熔體內。（4）鑄造溫度不能偏低，要保證熔體有良好的流動性。（5）熔體轉注過程中，熔體要滿管流動，落差點要封閉。（6）提高鑄造溫度，降低鑄造速度；在高溫高濕季節，控制好空氣中的濕度。4結論（1）7050-T4鍛件上出現的“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物。（3）“氧化膜”的呈現與軋制或鍛壓變形程度有關。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：冶金工業出版社，1987[2]佟長清、莊樹艷.輕合金文集[C].第一集，1983，235-242CauseAnalysisofBlackLineonSurfaceof7075-T4SideBraceForgingfromSafranJIEYan-li1，LUXiao-han2，SUNYou-zheng1，ZHANGHong-jing1，YUANShao-hong1，ZHANGBo1，LOUZHi-hua1，LIUPin1

(HangxinMaterialTechnologyCo.,Ltd.,Yantai264000;2.NortheastLightAlloyCo.,Ltd.,Harbin150060,China)7075-T4aluminumalloyforgingwassidebracematerialproducedbySafran.Whenamacroscopiccheckwasexecuted,oneblackline(length3mmandwidth1mm)wasfoundalongthedirectionofthemetalflowline.Macrostructure,fracturemorphologyandcomponentswereanalyzedbyOpticalMicroscope(OM),ScanningElectronMicroscope(SEM)andEnergyDispersiveSpectroscopy(EDS).Theanalysisresultsshowthattheblacklineonthesurfaceoftheforgingis"oxidationfilm".Theformationoftheoxidationfilmisconcernedwithmoistureinthemeltandsurfacecontaminationoftherawmaterial.Thedefectisthelaminationformedbythebubblesandtheporosity.Therootcauseoftheselaminationistheentryofw