5052合金陽極氧化材料線分析與控制

李朝陽，杜恒安，馮 旺，劉 鉞

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

變形鋁合金材料因具有比高強(qiáng)度、密度低、良好的耐蝕性、表面處理性等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著人們對(duì)鋁合金材料多樣化的需求，鋁合金表面陽極氧化處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并得到了快速的發(fā)展[2]。陽極氧化膜是在鋁合金表面形成的一層氧化膜，可著不同的顏色，起到表面耐蝕、美觀、耐磨等效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，陽極氧化膜經(jīng)常產(chǎn)生一些缺陷導(dǎo)致表面處理失效、失色，如著色有色差、不均勻、有線條等問題。經(jīng)過大量的學(xué)者研究[3-4]和實(shí)際驗(yàn)證，這些缺陷大都是由鋁合金表面質(zhì)量差、組織異常引起的。

5052鋁合金為Al-Mg系中具有代表性的消費(fèi)類民用高端產(chǎn)品，具有良好的抗疲勞性能、焊接性能、耐蝕性能和表面處理性能，廣泛應(yīng)用于高表面質(zhì)量要求的3C 電子類產(chǎn)品，如電腦、平板電腦、手機(jī)或數(shù)字音頻播放器等產(chǎn)品的外殼。因此，研究分析5052 鋁合金陽極氧化材料線缺陷，改善其使用性能和成材率已迫在眉睫。本文針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的5052 鋁合金陽極氧化料線條缺陷，分析了缺陷產(chǎn)生的原因和類型，并提出相應(yīng)的防范措施。

1 樣品材料與方法

試驗(yàn)用5052 合金的實(shí)際化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）： Si≤0.12， Fe0.26， Cu＜0.1， Mn＜0.1，Mg2.5，Cr0.18，余量為Al。將陽極氧化料進(jìn)行熔鑄、熱軋、冷軋、沖壓成型、酸堿洗、打磨、噴砂及陽極氧化工藝處理。兩個(gè)不同批次的3C 產(chǎn)品外殼的缺陷來自于陽極氧化處理，其宏觀形貌如圖1 所示。缺陷樣品采用LEICA DVM6A 進(jìn)行宏觀拍照，采用MicroXAM-800 白光干涉儀進(jìn)行三維立體形貌表征；在Hitachis-3400N 掃描電鏡上進(jìn)行觀察，分析微觀缺陷形貌組織。樣品表征前通過超聲波器在酒精中洗去表面污垢，清洗后用吹風(fēng)機(jī)將殘留酒精吹干，以便于表征觀察分析。

圖1 缺陷樣品宏觀形貌

2 樣品結(jié)果與分析

2.1 缺陷宏觀形貌分析

對(duì)圖1兩個(gè)批次的樣品進(jìn)行宏觀分析，采用數(shù)碼拍照和白光干涉技術(shù)表征。通過分析可以看出缺陷為一條白色直線，在基材的表面上呈連續(xù)分布（如圖2（a）、（b）所示）。局部放大可以觀察到材料線的寬度大約為100 μm。通過白光干涉分析缺陷圖2（a）并得到其三維立體形貌（如圖2（c）所示）。可以觀察到，材料線呈凸出形貌，高度在3～4 μm左右，與基材明顯區(qū)分開來。為了揭示材料線缺陷的微觀組織形貌，采用SEM進(jìn)行定量分析。

圖2 缺陷數(shù)碼拍照

2.2 缺陷部位SEM微觀組織分析

對(duì)圖2中兩個(gè)不同批次的缺陷位置進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，可以看到圖3（a）、（b）M054批次缺陷為凹凸不平的坑，并伴隨有孔洞產(chǎn)生，呈連續(xù)聚集分布。對(duì)缺陷不同位置進(jìn)行能譜點(diǎn)掃描，從定量分析結(jié)果可知，A、B 點(diǎn)中O、Mg 含量高（見表1），明顯呈氧化膜特征；而對(duì)正常部位C 點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)只有O元素呈高含量分布，推斷其由陽極氧化膜本身元素組成。

圖3 缺陷部位SEM微觀組織圖

對(duì)圖3（c）、（d）M067批次缺陷進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，缺陷位置D 點(diǎn)形貌呈白色無規(guī)則區(qū)域分布。能譜分析結(jié)果為高含O 量，無Mg 元素產(chǎn)生（見表1）；同時(shí)，對(duì)正常部位E 點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果也為高含O 量，表層無凹凸不平現(xiàn)象。由此，可以推斷D點(diǎn)形貌是因?yàn)榛膿p傷引起，而O含量高是因?yàn)殛枠O氧化膜形成而導(dǎo)致的。

表1 缺陷部位能譜點(diǎn)掃分析結(jié)果

2.3 基材SEM微觀組織分析

從上述缺陷分析可知，材料線缺陷主要是由于基材損傷和氧化膜引起的。因此，對(duì)這兩個(gè)批次的基材進(jìn)行取樣分析和掃描電鏡能譜分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4（a）、（b）可知，M067批次基材表面有凹凸不平、呈連續(xù)聚集分布的損傷性缺陷。從對(duì)該位置進(jìn)行的能譜點(diǎn)掃描和定量分析（見表2）結(jié)果可知，A、B 點(diǎn)含有Al 基體元素，并伴隨有O、Mg元素。由此可推斷A、B點(diǎn)是由基材本身元素組成。

從圖4（c）、（d）可知，M054批次基材缺陷位置C、D點(diǎn)的形貌呈起皮、有凹坑規(guī)則形狀分布，表2能譜結(jié)果為高O、Mg 含量，具有明顯的氧化膜特征。這些氧化膜在軋制過程中破裂并形成不連續(xù)孔洞。由此，可以推斷基材缺陷形貌是因?yàn)榛膿p傷引起，這對(duì)后續(xù)陽極氧化膜材料線會(huì)產(chǎn)生遺傳影響。

圖4 基材SEM微觀組織圖

表2 基材能譜點(diǎn)掃分析結(jié)果

2.4 材料線產(chǎn)生機(jī)理分析

鋁合金表面陽極氧化履膜與鋁合金材料表面質(zhì)量及基體組織有關(guān)。郭海霞[5]等研究了鋁合金表面陽極氧化膜缺陷成因，得知陽極氧化后缺陷與表面加工質(zhì)量、組織不均勻性、晶粒度有關(guān)。陽極氧化工藝為脫脂→堿洗→酸洗→化拋→陽極→染色→封孔→干燥工藝?；娜毕萁?jīng)過酸堿洗、打磨、噴砂等工序后既不能被清除掉，也無法附著陽極氧化膜，最終只能以缺陷形式呈現(xiàn)出來。錢建才[6]研究了鋁合金陽極氧化膜防護(hù)性能及失效規(guī)律，認(rèn)為陽極氧化附著力與基材缺陷有關(guān)。

研究得知[7]通過陽極氧化得到的氧化膜表面有很高的孔隙率，容易吸附腐蝕雜質(zhì)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和性能受到損害，因此必須進(jìn)行封孔處理?，F(xiàn)有封孔技術(shù)有水合封閉、金屬鹽封閉、溶膠凝膠封閉、有機(jī)封閉等。經(jīng)過研究者的驗(yàn)證，金屬鹽封閉技術(shù)已相對(duì)成熟，同時(shí)封閉后膜層的耐腐蝕性也較好。其反應(yīng)方程式如下[8]：

上述公式（1）是快反應(yīng)，公式（2）是慢反應(yīng)，反應(yīng)生成的離子變?yōu)镹i（OH）2沉積于孔中?；诮饘冫}封閉技術(shù)，基材上的缺陷無法填充和掩蓋，故而呈無規(guī)則形狀分布。因此，消除基材缺陷是提高陽極氧化膜表面質(zhì)量的根本。

2.5 材料線缺陷防范措施

綜合上述兩個(gè)批次的缺陷分析，5052 合金陽極氧化材料線由氧化膜和基材損傷兩種情況引起。為了控制或解決這兩種材料線缺陷，可以從熔鑄工藝和軋制過程要素控制著手。

材料線也可出現(xiàn)在其他合金中。李朝陽[9]等研究了1060 合金陽極氧化料亮線產(chǎn)生的機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)材料線是由TiB 聚集引起的，通過優(yōu)選AlTiB絲、控制細(xì)化劑TiB2、TiAl3質(zhì)點(diǎn)大小可以有效減少TiB 聚集問題。同理，對(duì)于氧化膜引起的材料線，可以通過控制熔鑄工藝過程中產(chǎn)生氧化膜要素，即通過控制鑄造溫度范圍710～720 ℃、保持熔體鑄造液面平穩(wěn)、下注管高度合適、防止鋁液翻滾等措施來實(shí)現(xiàn)控制。

有潘禎[10]等對(duì)陽極氧化用5052鋁合金基材軋制表面質(zhì)量控制進(jìn)行了研究分析，得知影響陽極氧化效果的主要表面缺陷有黑條、壓過劃痕、粘傷、印痕和黑點(diǎn)等。通過清刷輥上的粘鋁、提高乳液潔凈度、增強(qiáng)乳液潤(rùn)滑能力、穩(wěn)定熱連軋卷取張力、采用矯直噴油、減少矯直輥數(shù)量、卷取裝置優(yōu)化、清潔生產(chǎn)等主要措施可以有效控制基材損傷，避免在陽極氧化時(shí)出現(xiàn)材料線缺陷。

3 結(jié)論

通過對(duì)上述兩個(gè)批次缺陷的分析可知，5052合金陽極氧化材料線缺陷由氧化膜和基材損傷引起。為了控制這兩種原因引起的材料線缺陷，可以從控制熔鑄工藝消除氧化膜冶金缺陷和控制軋制過程中生產(chǎn)要素點(diǎn)以減少基材的損傷這兩方面著手。

（1）氧化膜引起的材料線缺陷，其特點(diǎn)是O元素含量高并伴隨Mg 元素產(chǎn)生，可以通過熔鑄工藝的優(yōu)化，即控制鑄造溫度、保持液位平穩(wěn)、下注管高度等措施來控制。

（2）在軋制過程中產(chǎn)生黑條、壓過劃痕、粘傷、印痕和黑點(diǎn)等缺陷是引起基材產(chǎn)生材料線的原因。通過控制軋輥的粘鋁和卷取張力、提高乳液潔凈度和潤(rùn)滑能力以及減少矯直輥數(shù)量等措施可以抑制缺陷的產(chǎn)生。