陳慶文，劉小龍，朱世安，2

（1.廣東豪美新材股份有限公司，清遠(yuǎn) 511500；2.廣東豪美技術(shù)創(chuàng)新研究院有限公司，清遠(yuǎn) 511500）

0 前言

隨著國內(nèi)鋁擠壓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國擠壓機(jī)的數(shù)量和噸位、表面處理線的種類和能力、產(chǎn)能產(chǎn)量規(guī)模均超過其他所有國家的總和，其發(fā)展水平和發(fā)展質(zhì)量也在同步提升，中國已成長為全球最大鋁型材生產(chǎn)國。其中，在鋁合金建筑型材領(lǐng)域中，6063鋁合金具有加工性能優(yōu)異、抗腐蝕性好的顯著特點，又由于其陽極氧化后表面質(zhì)量效果優(yōu)良，被廣泛用于建筑門窗及幕墻等[1]。針對氧化車間6063合金邊框結(jié)構(gòu)型材光面古銅色頻繁出現(xiàn)色差質(zhì)量問題，本文結(jié)合氧化生產(chǎn)線現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，對出現(xiàn)色差問題的型材進(jìn)行分析，查找出6063 鋁合金氧化型材產(chǎn)生色差缺陷的原因，并通過對合金成分微量元素Fe、Mn 調(diào)整后的對比試驗以及著色電壓等工藝參數(shù)的調(diào)整對比試驗，達(dá)到了消除氧化型材色差缺陷的目的。

1 色差原因分析

研究表明，陽極氧化膜分為阻擋層和多孔層：阻擋層是致密無孔的非晶態(tài)氧化物，而多孔層是由六角形柱狀個體（中部有小圓孔）聚集一起，形成類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），每個獨立單元的中心經(jīng)小圓孔與阻擋層相聯(lián)通。型材著色就是由于孔底沉積的金屬粒子對入射光發(fā)生散射而顯色的，因此氧化膜孔堆積的沉積物越多，在多重散射下型材氧化膜表面顏色越深[2-3]。6063 合金邊框型材光面古銅色缺陷如圖2所示。

圖1 氧化膜多孔層微觀組織照片

圖2 6063合金邊框型材光面古銅色差缺陷

針對氧化車間出現(xiàn)陽極氧化型材色差問題，其中以6063 合金邊框型材光面古銅色較為嚴(yán)重，中柱、上下滑型材比較少。對出現(xiàn)色差的型材進(jìn)行集中色差部位、型號、排架號、氧化日期、機(jī)臺、擠壓時間、鑄棒爐號等信息歸總，排查可能產(chǎn)生色差的工序。其中，色差部位集中在邊框的大面位置，氧化后表面光澤明顯比其他部位差，顏色偏暗和偏黃。通過氧化車間現(xiàn)場監(jiān)控回放排查，可以確定氧化生產(chǎn)操作符合車間作業(yè)指導(dǎo)書要求。深入翻查實際生產(chǎn)工藝記錄發(fā)現(xiàn)此型號的著色工藝參數(shù)調(diào)控不到位，實際設(shè)定著色電壓超出工藝要求范圍。其次，翻看該型號的擠壓信息卡，結(jié)合擠壓車間內(nèi)部監(jiān)控回放，得出此型號的擠壓工藝符合6063 合金的擠壓工藝要求，同時發(fā)現(xiàn)機(jī)臺作業(yè)人員無違規(guī)操作；最后，在鋁棒爐號的記錄里，發(fā)現(xiàn)此型號爐后成分中的Fe和Mn微量元素超內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，其余微量元素成分正常。最終將色差原因鎖定在氧化工序中著色電壓設(shè)定不準(zhǔn)確以及鋁棒成分中微量元素Fe和Mn控制不當(dāng)。

2 解決方案

通過對邊框型材光面古銅色色差缺陷的初步分析，結(jié)合車間的實際情況，在相同氧化槽和著色槽里以及其它微量元素基本不變的前提下，通過調(diào)整微量元素Fe 和Mn 做銀白色和古銅色氧化效果對比，具體如下：

表1 是氧化工序陽極氧化槽和著色槽工藝參數(shù)、試驗顏色和膜厚的匯總。表2是鋁棒成分Fe微量元素調(diào)整不同成分對應(yīng)氧化砂面銀白和光面古銅色試驗結(jié)果（其中Fe含量0.52%只作為實驗要求而調(diào)整不作批量生產(chǎn)）。通過對比分析可知，當(dāng)Fe元素含量＜0.15%，型材表面光澤較好且著色后色調(diào)柔和[3]。然而當(dāng)將Fe 元素含量提升到高于0.30%時，雖然型材砂面銀白色表面顏色仍然不變，但光面古銅色底色由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗌夜鉂啥茸儼?，呈現(xiàn)出非正常的古銅色；繼續(xù)提高Fe 元素含量至0.50%以上，型材砂面銀白表面的砂面均勻但顏色發(fā)暗，光面古銅色表面光澤嚴(yán)重偏暗，顏色已接近于褐色。

表1 氧化工序槽液等工藝參數(shù)、試驗顏色和膜厚

表2 Fe元素含量對陽極氧化型材顏色的影響

表3 是鋁棒成分中Mn 微量元素不同調(diào)整成分對應(yīng)的氧化砂面銀白和光面古銅色試驗結(jié)果。當(dāng)Mn 含量低于0.025%時，由于Mn 可以消除Al5FeSi金屬間化合物的負(fù)面影響，型材砂面銀白和光面古銅色均能呈現(xiàn)出很好的表面效果。但隨著Mn 含量提至0.045%或以上，型材氧化后砂面銀白和光面古銅色表面顏色泛黃，偏離正常的色調(diào)，光澤度也隨之下降，導(dǎo)致表面偏暗。綜上所述，當(dāng)鋁棒中Fe元素含量控制在≤0.30%，Mn元素含量控制在≤0.025%時，型材氧化后將會得到較好的砂面銀白色和光面古銅色表面質(zhì)量。表4 為優(yōu)化后的6063 合金成分，選用優(yōu)化后的鋁棒擠出合格胚料在相同陽極氧化條件和著色槽里，通過調(diào)整不同著色電壓來檢測對應(yīng)的顏色ΔΕ值和表面顏色深淺變化，具體如下：

表3 Mn元素含量對陽極氧化型材的顏色影響

表4 試樣的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表5 和表6 分別為著色試驗工藝參數(shù)和著色電壓與顏色深淺的變化匯總。在表6 中，ΔΕ越小表示顏色越深，顏色深淺與著色電壓的關(guān)系具有一定的規(guī)律性。著色電壓在16～18V之間變化時對試樣表面顏色影響很小，16V時著色速度最快，型材表面顏色也最深。當(dāng)著色電壓達(dá)到20V或以上，著色速度迅速降低，這是由于試樣表面經(jīng)化學(xué)反應(yīng)析出大量氫氣，抑制了金屬離子的還原反應(yīng)，阻礙了型材著色速度的提升，且伴隨著電壓繼續(xù)升高，析氫氣量的增多，著色更困難，導(dǎo)致顏色變淺[4]。在14～19V的著色電壓區(qū)間里，著色電壓越高，著色電流和著色速度逐漸上升，型材顏色隨之變深，試樣表面顏色變化順序依次為淺香檳-香檳色-深香檳-咖啡色-古銅色-褐色-黑色。從生產(chǎn)成本和顏色的穩(wěn)定性來看，最佳的電解著色電壓應(yīng)該控制在15～16V之間。

表5 試驗采用的電解著色槽液濃度和著色工藝參數(shù)

表6 著色電壓與顏色△E深淺的變化

在陽極氧化過程中，游離的鋁離子滲透入氧化膜孔內(nèi)，當(dāng)型材電解反應(yīng)時，氫離子在陰極被還原，膜孔內(nèi)鋁離子未被還原，與游離的氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化鋁。此刻氫氧化鋁變成新的電阻性物質(zhì)，型材局部反應(yīng)不均衡（因部分氫氧化鋁會自動分解成氧化后水介質(zhì)和殘留在著色槽里的雜質(zhì)鋁離子），造成膜孔內(nèi)部氫氧化鋁的數(shù)量不平衡，在電解著色時，使得型材各個部位的著色電流降低幅度不一樣、著色析出金屬量不一致，最終形成型材表面顏色不統(tǒng)一而出現(xiàn)色差[5-6]。在氧化生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)綜合采用電極屏蔽法和替代電極法等使電流分布均勻的方法，使型材電解著色出來的表面顏色分布均勻，底色無發(fā)暗和偏黃等色差缺陷[7]。型材電解著色時，嚴(yán)格控制實際著色電壓等工藝參數(shù)，著色后第一道著色水洗槽的浸泡時間不允許超出1 min，pH值控制在2.2～2.3；第二道著色水洗槽的浸泡時間不允許超過5 min[8]，pH 值則要＞3.5。因水洗槽里的游離酸會對型材顏色有褪色的作用，同時減少空中滯留時間，避免影響后續(xù)的型材封孔作業(yè)[9-10]。

3 結(jié)束語

造成陽極氧化型材色差的原因有很多，囊括了熔鑄、擠壓、陽極氧化、電解著色等多個工序，得出以下結(jié)論：

（1）在鋁棒鑄造過程中，F(xiàn)e 元素含量過高的型材氧化后表面會發(fā)暗，嚴(yán)重時會影響整個表面的光澤度急遽下降使得型材不能正常著色。Mn 元素含量低于0.025%時，利于型材電解著色后表面顏色透亮。此兩類微量元素需在爐前和爐后都必須嚴(yán)格把控，產(chǎn)出合金成分合格的優(yōu)質(zhì)鋁棒。

（2）從生產(chǎn)成本和顏色的穩(wěn)定性來看，最佳的電解著色電壓應(yīng)該控制在15～16V之間。

（3）氧化生產(chǎn)現(xiàn)場將使用對電極屏蔽法和替代電極法等使電流分布均勻的方法，電解著色后顏色整體均勻一致，規(guī)避出現(xiàn)底色發(fā)暗或偏黃等缺陷。

由于鋁合金陽極氧化型材的色差主要受到型材合金成分、擠壓工序質(zhì)量控制、陽極氧化工藝、槽液維護(hù)與作業(yè)人員操作等因素影響，必須通過合理熔鑄、擠壓生產(chǎn)質(zhì)量把控、優(yōu)化陽極氧化工藝、槽液參數(shù)以及加強(qiáng)作業(yè)人員的責(zé)任心與穩(wěn)定性，才能有效地減少色差的發(fā)生。