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【失效分析】铝合金框架阳极黑斑

02月,19,2024 | 浏览次数：7070
铝合金框架阳极黑斑失效分析

01.测试背景

客户铝合金框架：铝圆饼→挤压→退火→冲压→CNC→喷砂→阳极。CNC加工后发现铝材表面存在黑斑，阳极后更加明显，如图1所示。不良比例较高，为此委托实验室分析造成黑斑的原因，便于确认责任，进行制程改进。

图1-黑斑样品
图1-黑斑样品

02.测试项目、规范、信息

测试项目 测试规范 设备名称 实验条件
SEM 形貌观察 GB/T 16594-2008 扫描电子显微镜及能谱仪
 加速电压：15kV
EDS 成分分析 GB/T 17359-2012
表面观察
 WI-032-153 3D 显微镜（VHX-H5M） /
WI-032-048 金相显微镜（Capture 2.1）
金相组织 GB/T 13298-2015
 金相显微镜（Capture 2.1）
 /
夹杂物分析
材质维氏硬度 GB/T 4340.1-2009 维氏硬度计 /
常用材料化学成分 ASTM E1251-17a 火花原子放射光谱仪 /


03.实验环境

温度：(23±5)℃；湿度：(40~80)%RH

04.检测结果

4,1 | 表面观察

对试样黑斑位置进行表面观察，结果如图2所示：

黑斑位置呈现为多边形或条状带，局部区域有凹坑状。
图2-黑斑位置表面形貌
图2-黑斑位置表面形貌

4.2 | 试样表面

SEM＋EDS分析

对黑斑及正常位置进行SEM+EDS分析，结果如图3~4及表1所示：

阳极黑斑位置附着小片状与凹坑，成分中含有较多的C、Mg等元素。

图3-样品表面SEM形貌

图3-样品表面SEM形貌
图4-EDS分析位置（300×）
图4-EDS分析位置（300×）

表1-EDS分析结果（%）

Spectrum
 C O Mg Al Si S Ni
A 黑斑
 1 19.27 44.11 2.52 29.59 0.38 2.87 1.27
2 34.18 41.59 1.26 19.09 0.45 3.10 0.34
3 47.41 26.37 0.90 20.21 0.56 3.95 0.60
B 黑斑
 1 5.99 48.61 8.18 34.22 / 1.97 1.01
2 8.16 54.37 0.48 31.71 / 4.08 1.20
3 7.03 44.74 5.82 37.24 / 3.15 2.01
正常
 1 5.73 51.16 / 35.97 0.39 5.39 1.36
2 6.07 50.65 / 36.20 0.27 5.18 1.62

备注：成分数据为半定量分析结果，仅供参考，成分为质量百分比。


4.3 | 黑斑试样切面

SEM＋EDS分析

对阳极黑斑位置切面进行SEM+EDS分析，结果如图5~6及表2所示：

黑斑皮下基材存在孔洞及黑点状物质，基材也比较疏松，深度58~190 μm，孔洞位置O、Mg成分含量较高，很有可能熔炼过程中的炉渣未除干净，残留在铝材中；

残留炉渣的铝材容易有孔洞，这些区域在加工制程中容易残留一些异物，黑斑表面成分中含有C、O等。
图5-试样切面形貌图
图5-试样切面形貌图
图6-EDS分析位置（1000×）
图6-EDS分析位置（1000×）

表2-EDS分析结果（%）

Spectrum
 C O Mg Al Si Total
A 黑斑
 1 6.16 24.13 4.93 64.29 0.49 100
2 5.74 17.62 7.54 69.09 / 100
3 8.74 14.47 5.13 71.15 0.51 100
4 9.39 3.19 0.46 86.96 / 100
B 黑斑
 1 11.91 30.01 6.25 51.14 0.69 100
2 10.65 18.99 6.51 63.86 / 100
3 17.67 27.98 6.97 46.65 0.74 100
4 6.76 3.04 0.53 89.67 / 100

备注：成分数据为半定量分析结果，仅供参考，成分为质量百分比。



4.4 | 试样组织分析

对阳极黑斑及正常位置组织进行分析，如图7所示，可以发现：

阳极黑斑及正常位置夹杂物含量较少，尺寸均＜20μm；

阳极黑斑及正常位置晶粒均匀，黑斑位置存在炉渣，容易被腐蚀，呈现为黑点；

试样的析出物尺寸均匀。
图7-试样组织貌图
图7-试样组织貌图

4.5 | 试样硬度分析

对试样硬度测试，结果如表2所示：

试样正常与黑斑附近硬度一致，~91 HV0.3，符合客户要求。

表2 硬度测试结果

样品类型 HV 0.3
A-正常 90.5
A-黑斑 89.8
B-正常 91.2
B-黑斑 91.0

备注：测试结果为三点平均值。


4.6 | 试样成分分析

对试样基材成分分析，结果如表3所示：

试样材质符合客户设计Al6063规格。

表3 样品化学成分测试结果（%）                                                                

成分 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

Other

each

Other

total

Al
试样 0.469 0.191 0.016 0.002 0.61 0.002 0.007 0.016

0.05

max

0.15

max

余量

Client

Spec.

0.20-

0.60

0.35

Max.

0.10

Max

0.10

Max

0.45-

0.90

0.10

Max.

0.10

Max.

0.10

Max.

备注：测试结果为质量百分比。

05.结论
1、试样材质成分、硬度、晶粒、析出物等正常；
2、阳极黑斑位置附着小片状与凹坑，成分中含有较多的C、Mg；
3、黑斑位置应是主要含有Mg、O的炉渣残留在基材所致，深度58~190 μm不等，该位置结构疏松且存在孔洞，在CNC制程中容易造成褶皱状凹坑，使得切削液等物质残留，形成目视黑色斑点，这些位置也容易被腐蚀，阳极后黑斑将会更加严重；

4、建议原料工艺厂商加强对铝材熔炼工艺管理，防止出现炉渣残留。


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