吳春江

（中鋁瑞閩股份有限公司，福州350015）

0 前言

鋁合金材料的硬度較低，耐磨性較差，可以通過陽極氧化的方式在其表面生成一層氧化膜，以提高其表面硬度、耐磨性及耐蝕性，該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。同時，陽極氧化膜著色后能夠制出各種色彩的裝飾外觀，可以用來制作筆記本、手機(jī)等電子產(chǎn)品的外殼[2]。

5052合金鋁板材具有良好的成形加工性能、抗蝕性、中等強(qiáng)度等，廣泛運用在制造飛機(jī)油箱、油管以及交通車輛、船舶的鈑金件、電子3C產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件和外觀件等工業(yè)和民用消費領(lǐng)域。其中，國產(chǎn)5052陽極氧化材近幾年在國內(nèi)手機(jī)和筆記本電腦外觀件上的應(yīng)用比例大幅提高，性價比極高，有逐漸取代進(jìn)口材料的趨勢。

本文分析了5052鋁合金軋制板陽極氧化后出現(xiàn)的黑條缺陷產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 試驗材料及方法

鋁合金陽極氧化工藝流程主要包括以下環(huán)節(jié)：樣品打磨除油→水洗→堿蝕→水洗→中和→陽極氧化→封閉晾干[3]。為了獲得質(zhì)量完好的鋁合金陽極氧化層，進(jìn)行陽極氧化的鋁板表面需平整，否則容易出現(xiàn)黑色斑點及條紋等缺陷[4-5]。

試驗材料為5052鋁合金軋制板陽極氧化后的板材，如圖1所示。由圖可知，陽極氧化后的鋁板氧化膜完整，表面較為平整，整體呈銀白色，但在劃線處出現(xiàn)細(xì)黑色條紋。從圖1虛線框所示位置黑色條紋附近取樣，采用日立SU 5000型熱場場發(fā)射掃描電鏡（SEM）進(jìn)行黑色條紋的微觀組織分析，采用能譜儀對黑色斑點及條紋進(jìn)行定性分析。

圖1 陽極氧化后黑條宏觀形貌

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

采用掃描電鏡對5052鋁合金軋制板陽極氧化試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，經(jīng)過陽極氧化后的鋁板表面形貌完好，表面平整，仔細(xì)觀察可見灰色斑點。將其A區(qū)放大，在圖2（b）中部位置處具有較多的灰色斑點。進(jìn)一步放大B、C區(qū)，由圖2（c）可知，鋁合金表面出現(xiàn)了點狀及短棒狀灰色斑點，圖2（d）處出現(xiàn)尺寸約為20 μm的黑色條狀缺陷，其周圍分布著短棒狀及灰色斑點。

圖2 掃描電鏡顯微形貌組織

2.2 能譜分析

采用能譜儀對黑色斑點及條紋進(jìn)行定性分析，針對圖2所示B區(qū)和C區(qū)中的1、2、3、4位置進(jìn)行能譜分析。其中：1#點位主要成分為：42.84Al、42.73O、10.10N、1.93Mg、1.85S、0.30P、0.25C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%,下同）。2#點位主要成分為：35.52Al、43.91O、16.35Si、1.50Fe、2.07S、0.18C。3#點位和4#點位二者的元素基本一致，主要成分為Al、O，且含有少量C、Mg、S等雜質(zhì)元素。由能譜儀分析可知，陽極氧化后的鋁合金表面生成了一層Al2O3氧化膜，其中的黑色斑點為N、Mg、Si、P、C、Fe、O等雜質(zhì)元素

圖5 3#點位能譜分析

圖6 4#點位能譜分析

3 分析與討論

3.1 機(jī)理分析

陽極氧化過程是將提前處理好的鋁合金放入合適的電解液中，以鋁合金作為陽極，以鉛板等惰性電極作為陰極，外加電流，使鋁合金表面生成一定厚度的氧化鋁膜。其反應(yīng)式為：

陽極反應(yīng)：2Al+3H2O-6e-→Al2O3+6H+

陰極反應(yīng)：2H++2e-→H2↑

在生成氧化膜的同時，由于酸的作用氧化膜的溶解也同時進(jìn)行，其反應(yīng)式為：

氧化初期，膜的生成速度大于溶解速度，則膜的厚度不斷增加，隨著膜厚的增加，其電阻增大，阻礙膜的生成速度，直到成膜速度與溶解速度達(dá)到平衡時膜的厚度即達(dá)到一定值，即可得到結(jié)構(gòu)為蜂窩狀的氧化膜[6]。再對該氧化膜進(jìn)行電解著色后封孔，即可得到獨特的色澤精美且性能穩(wěn)定耐用的氧化膜[7]。

如果在陽極氧化處理的表面存在雜質(zhì)或材料機(jī)體受到損傷，將會導(dǎo)致陽極氧化膜不均勻，影響氧化膜的反射率、顏色和耐蝕性，造成陽極化處理后有的地方出現(xiàn)黑色斑點，色澤發(fā)暗不光鮮，從而直接影響鋁合金外殼的美觀[8]。同時，缺陷和雜質(zhì)的存在，會使得陽極化處理時的樣品表面電流不均勻，電解液在凹陷處流動速度減緩，在凸起處流動快，致使陽極化處理的表面出現(xiàn)不均勻的狀態(tài)，最終形成明顯的黑色條紋。

通過表面形貌觀察和能譜成分定性分析可知，產(chǎn)生缺陷的原因在于陽極化處理前該鋁合金外殼上存在軋制時產(chǎn)生的“條痕”缺陷和材質(zhì)本身含有的雜質(zhì)。能譜定性分析發(fā)現(xiàn)，該雜質(zhì)物主要含有N、Mg、Si、P、C、Fe、O等雜質(zhì)元素。

對試驗樣品生產(chǎn)工序過程所接觸的可能污染源進(jìn)行對比分析可知：熱軋工序加熱爐的爐灰、乳液灰分殘留和軋輥表面殘留物的成分主要為Si、O、Fe、Cr、Al、Mg；其中的N元素主要來源于熔鑄過程中使用的氮化硼。因此，缺陷產(chǎn)生的主要原因在于坯料熱軋前的鑄錠清洗不徹底、軋制階段軋輥表面附著物沒有完全被輥刷清理干凈導(dǎo)致帶材表面在軋制時受到損傷從而產(chǎn)生條痕缺陷并造成雜質(zhì)殘留在條痕缺陷處。另外，熔鑄過程中凈化和過濾不充分致使鋁材基體中殘留一定的雜質(zhì)也是缺陷產(chǎn)生的次要原因。

3.2 缺陷防范措施

綜合上述分析，針對5052合金陽極氧化黑條缺陷可以從以下幾方面進(jìn)行改善和防范：

熱軋工序段：（1）改進(jìn)熱軋輥刷壓靠，控制合適的壓靠力，確保輥身范圍均勻受力；（2）適當(dāng)提高終軋溫度，減少鋁粉和乳液殘留，使投入冷軋生產(chǎn)的板坯表面干凈無殘留；（3）定期清理加熱爐膛，確保清潔，嚴(yán)格控制軋前鑄錠清洗的質(zhì)量，確保鑄錠表面清潔。

熔鑄工序段：（1）嚴(yán)格控制熔鑄過程中與熔體質(zhì)量密切相關(guān)的過濾和除氣等工藝操作，重點控制流槽表面清潔，避免雜質(zhì)帶入熔體；（2）原料如果為電解鋁液鑄造合金扁錠，重點要關(guān)注電解液的電解質(zhì)等純凈度控制。

4 結(jié)論

5052鋁合金陽極氧化后易出現(xiàn)黑色條紋及斑點。通過分析得知，該缺陷主要為鋁材表面本身存在的條痕缺陷和雜質(zhì)，且主要出現(xiàn)在熱軋過程的輥刷壓靠力、終軋溫度和坯料原始冶金質(zhì)量等環(huán)節(jié)。因此，改進(jìn)措施也從這兩方面入手，通過合理控制壓靠力、適當(dāng)提高終軋溫度、保障熔鑄過程的過濾和除氣工藝效果等舉措，可以有效防范缺陷的產(chǎn)生。