李偉，葛懿擎，閆鵬，馬金娟，程黎明

（慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

某型號飛機發(fā)射器的一批外筒在經過鉻酸陽極氧化處理后部分零件表面出現黑色條紋，該批故障件為5A06鋁合金材質。本文針對該故障進行原因分析，判斷該故障是否影響產品的交付和應用。

1 故障現象

1.1 宏觀特征

鋁合金鉻酸陽極氧化膜不透明，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，而且膜層質軟、彈性好，對原材料的疲勞強度基本無影響。圖1示出了該型號發(fā)射器表面鉻酸陽極氧化膜的正常色澤和黑色條紋，從中可看到故障產品表面黑色條紋呈縱橫交錯分布。

圖1 正常件表面的陽極化膜(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Zeiss Axio Cam MRC5型光學顯微鏡放大400倍觀察鉻酸陽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

為排查生產過程中混料導致誤用其他牌號的基材，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OBLF QSN750-II型火花直讀光譜儀激發(fā)6次，分析各元素的質量分數，取平均值，結果見表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成分》對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量分數Table 1 Mass fractions of different elements in the substrate of defective part (單位：%)

2.2 黑色條紋物質的化學分析

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(以質量分數計)[1-3]，結果見圖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量分數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的質量分數遠遠高于正常氧化膜，初步推測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)域過小，為進一步確認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)射光譜儀對故障件黑色條紋處進行逐層分析。由表3可知，隨著剝離深度的增大，C含量逐漸減小，證實了2.2.1節(jié)的推測。

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

2.2.3 分子結構分析

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行分析，以確認碳化物的分子結構。由圖5可知，該膜層在1 000 ～ 2 000 cm-1范圍內的曲線與譜圖庫中DLC(類金剛石)的曲線接近。因此可以推斷，在氧化性極強的鉻酸陽極氧化槽中，產品表面附著的化合物反應生成了類似金剛石的復雜化合物[6]。

圖5 黑色條紋物質用激光拉曼光譜檢測的結果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程中一般會加入特定的油脂和石墨進行潤滑，拉伸成型后通過堿洗將其清除，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、稀堿及有機溶劑，但溫度較高時碳不僅易氧化，還能與許多金屬反應生成金屬碳化物。而鉻酸陽極氧化處理流程中也無堿洗工序。

綜合考慮后，決定在不影響該批次問題零件尺寸的前提下，對其進行堿腐蝕，去除表面黑色化合物后再投入后續(xù)生產。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，時間5 ～ 15 s。圖6為故障件經堿腐蝕再鉻酸陽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 增加堿腐蝕后陽極氧化膜的外觀Figure 6 Appearance of anodic oxide film obtained on substrate pretreated by alkaline etching

對于未投入使用的該批次原材料，返回給廠家。此外，對未投入生產的其他批次的原材料進行復查，確保都經過化學堿洗才投產。