某變速箱生產(chǎn)企業(yè)擁有汽車變速器殼蓋件壓鑄及機加工生產(chǎn)線，所用的變速器及離合器殼蓋件材質(zhì)為ADC12鑄造鋁合金。然而，在壓鑄鋁合金殼蓋件的加工及存放過程中，容易發(fā)生表面黑斑缺陷。

      本文作者根據(jù)該鋁合金工件加工現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況及存放條件，結(jié)合掃描電鏡等分析手段，對不同類型黑斑缺陷處的表面形貌和成分進行了分析，討論了生產(chǎn)工藝流程各環(huán)節(jié)對黑斑缺陷的影響機制，并以此為基礎(chǔ)提出了針對性的工藝優(yōu)化措施，以達到減少黑斑缺陷、改善產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 、初步分析

      該ADC12壓鑄鋁合金殼蓋件在加工及存放過程中產(chǎn)生的黑斑缺陷形貌主要分為兩類，二者的宏觀形貌見圖1。由圖1可見，缺陷類型一為連續(xù)片狀黑斑，顏色顯著深于正常區(qū)域; 缺陷類型二宏觀形貌為白色或灰色粉末狀粘附，粘附擦除后呈現(xiàn)點狀分布的黑斑。該鋁合金殼蓋件的主要生產(chǎn)工藝流程為: 壓鑄→拋丸→機加工→清洗→干燥→存放。 兩類黑斑缺陷的主要產(chǎn)生工序及其他情況對比見表1。

2 、顯微組織觀察及能譜分析

      兩類黑斑缺陷均發(fā)生在鋁合金件的非加工表面上，分別取正常無缺陷非加工表面、缺陷類型一、缺陷類型二的典型樣塊，在石油醚中超聲清洗后，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對黑斑部位的形貌進行觀測，三者的顯微組織如圖2所示。

      根據(jù)圖2可以看出，鋁合金工件正常非加工表面由于經(jīng)過拋丸處理，在鋼丸拋擊作用下，表面較為致密，但存在許多鋼丸拋擊而產(chǎn)生的凹坑，整體形貌不平滑。在較高倍率下發(fā)現(xiàn)，正常表面處分布著片狀或顆粒狀碎屑。缺陷類型一的顯微組織形貌與正常表面無明顯區(qū)別，保留了拋丸工藝造成的凹坑及碎屑。缺陷類型二的白色粘附的顯微形貌呈顆粒狀碎屑，將白色粘附物擦拭并超聲清洗后，其基底的顯微形貌與正常表面存在顯著區(qū)別，呈現(xiàn)小尺寸的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。分別對正常及缺陷表面各特征區(qū)域進行EDS能譜分析，分析結(jié)果如圖3所示。

     由EDS檢測結(jié)果可以看到，正常表面基體處主要成分為ADC12鋁合金的原有成分，此外，還含有一定量的C、O元素，可能來源于工件在加工過程中所接觸到的有機工業(yè)介質(zhì)污染、輕微氧化等，而正常表面碎屑的成分則完全異于基體處，主要元素成分為Fe，且存在較高含量的Cr，可以推測在拋丸過程中產(chǎn)生了難以去除的鋼丸碎屑粘附。      

      缺陷類型一的基體處及碎屑處與正常表面相比均含有更高含量的C、O元素，受有機工業(yè)介質(zhì)污染更嚴(yán)重，此外，缺陷類型一的基體處Si元素含量顯著增大。

      由于缺陷類型一主要產(chǎn)生于壓鑄工序后，綜合其微觀表面形貌，可推測其成因為壓鑄過程中產(chǎn)生的有機物粘附，壓鑄過程中工件所接觸的工業(yè)介質(zhì)為脫模劑，經(jīng)調(diào)研，該產(chǎn)品壓鑄使用的鋁件脫模劑主要成分為硅油，結(jié)合缺陷類型一表面基體處的高硅含量，可進一步推斷缺陷類型一的成因為壓鑄過程中發(fā)生的含硅脫模劑積聚粘附并氧化變色。

      缺陷類型二的白色粘附物處元素組成的主要特點為O元素含量高，推測該白色粘附物主要成分為Al 的氧化物或氫氧化物。將白色粘附物去除后缺陷類型二基體處呈現(xiàn)小尺寸的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其O元素含量也較高，且缺陷類型二的基體處不再存在鋼屑粘附，但測試區(qū) Fe 元素含量升高，推測該區(qū)域原粘附于表面的鋼屑在存放過程中與基體發(fā)生了原電池腐蝕，二者共同發(fā)生了氧化反應(yīng)，使鋼屑以鐵的氧化物形式分布于基體表面，而鋁合金基體發(fā)生了孔狀腐蝕，并隨著時間的推移日趨嚴(yán)重，生成白色或灰色的腐蝕產(chǎn)物浮于工件表面。

      綜上所述，造成缺陷類型一、二的主要原因為:

1) 壓鑄過程中含硅脫模劑不均勻富集產(chǎn)生積聚粘附，并發(fā)生氧化變色產(chǎn)生硅斑;

2) 拋丸后工件表面粘附了許多鋼丸碎屑，在潮濕環(huán)境中與鋁基體發(fā)生原電池反應(yīng)，加劇鋁合金基體腐蝕;

3) 鋼丸拋擊造成拋擊坑，容易積聚加工介質(zhì)，不利于工件干燥，使工件表面更容易發(fā)生氧化腐蝕;

4) 生產(chǎn)存放工藝不合理，未充分考慮預(yù)防腐蝕。

3、 預(yù)防黑斑缺陷的措施

      針對該企業(yè)上述現(xiàn)場鋁合金殼蓋件發(fā)生的不同類型黑斑缺陷的特點及成因分析，結(jié)合實際情況，從鋁件生產(chǎn)的各個工藝流程出發(fā)提出預(yù)防此類黑斑缺陷的主要措施。

3．1 壓鑄工藝

       經(jīng)過實驗分析，現(xiàn)場使用的脫模劑產(chǎn)品對鋁緩蝕作用差，會對鋁件表面造成嚴(yán)重腐蝕。且在壓鑄及脫模過程中，含硅脫模劑壓入粘附在鋁件表面，容易產(chǎn)生大面積有機物黑斑。

       通過對市場了解及產(chǎn)品性能分析，換用對鋁有較好緩蝕作用的無硅脫模劑，減輕脫模劑對鋁件造成的腐蝕，同時優(yōu)化壓鑄工藝，改善脫模劑的積聚現(xiàn)象。

3．2 拋丸工藝

       拋丸處理可使表面變得致密，增大表面強度與耐磨性，改善壓鑄件表面存在微孔的情況。但拋丸處理后鋁件表面粗糙度顯著變大，造成后期加工、清洗過程中容易產(chǎn)生加工液、清洗液的殘留，且在存放過程中不利于鋁件干燥。此外，拋丸處理使鋁件表面粘附大量鋼屑，形成雙金屬原電池，加劇了鋁件的腐蝕。建議改變拋丸砂材質(zhì)，避免雙金屬腐蝕。

3．3 機加工

      加工液是加工過程中鋁件接觸的主要工業(yè)介質(zhì)，且在清洗不足的情況下可能長期殘留在工件表面，加工液的pH值過高和緩蝕性能不足，都會造成鋁件腐蝕。此外，現(xiàn)場加工液中含有鋁粉鋁屑、鐵屑、雜油、細菌真菌等可能引起加工液失效變質(zhì)、影響加工液緩蝕性能的雜質(zhì)，為鋁件的腐蝕霉變創(chuàng)造了條件，加速腐蝕斑、霉斑的產(chǎn)生。應(yīng)使用pH值適中、對鋁緩蝕性能好、生物穩(wěn)定性好的加工液，并做好加工液的現(xiàn)場維護，形成系統(tǒng)的實時維護方案，控制其pH值及加工液濃度在一定范圍內(nèi)，控制雜質(zhì)含量、菌落數(shù)、硬度等。

3．4 清洗及干燥過程

      若使用水或?qū)︿X緩蝕性能不足的清洗劑清洗工件，且后期干燥不完全，則在存放過程中，易形成腐蝕霉變的隱患。應(yīng)使用具有優(yōu)良緩蝕作用的清洗液，清洗后完全干燥，防止液體殘留。

3．5 存放過程

      壓鑄、加工、存放應(yīng)分區(qū)進行，防止粉塵、液體工業(yè)介質(zhì)等對工件存放環(huán)境造成污染; 避免室外存放。此外，應(yīng)做好鋁件存放過程的防潮保護，梅雨、霜降等易腐蝕季節(jié)定期進行檢查維護。

4、 結(jié)束語

      分析了ADC12鋁合金殼蓋件兩類表面黑斑缺陷的產(chǎn)生機制，并針對該鋁合金殼蓋件加工工藝中壓鑄、加工、存放、管理等環(huán)節(jié)的特點，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，提出了防止兩類黑斑缺陷產(chǎn)生的主要控制措施。采取以上措施后，兩類黑斑缺陷的發(fā)生率大大降低，對該鋁合金殼蓋件產(chǎn)品的質(zhì)量提升和成本控制起到了重要作用。

本文作者：清華大學(xué) 天津高端裝備研究院潤滑技術(shù)研究所 王亞丹