江鐘宇

(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.中鋁瑞閩股份有限公司,福建 福州 350015)

5×××系鋁合金具有良好的成形性,經(jīng)陽(yáng)極氧化后色澤均勻透亮,著色后經(jīng)久耐用,氧化膜強(qiáng)度高,廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑外墻和3C電子領(lǐng)域。隨著產(chǎn)品外觀要求的不斷提高,減輕或消除5×××系鋁合金陽(yáng)極氧化條紋缺陷已成為鋁材生產(chǎn)廠、陽(yáng)極氧化加工廠、使用終端等上下游研究的重點(diǎn)。

陽(yáng)極氧化條紋缺陷在光鋁上不可見,必須經(jīng)表面拋光、噴砂、化學(xué)拋光和陽(yáng)極氧化等一系列表面處理后,沿軋制方向才呈現(xiàn)出寬約1 mm、長(zhǎng)度不規(guī)律的條紋色差。本試驗(yàn)以5182H32和5052H32鋁合金軋制板材為研究對(duì)象,探討百潔布拋光、噴砂壓力、化學(xué)拋光時(shí)間、陽(yáng)極氧化時(shí)間等表面處理工藝對(duì)條紋明顯程度的影響,為陽(yáng)極氧化5×××系鋁合金外觀件表面處理工藝的制定提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為0.6 mm厚的5182H32和5052H32鋁合金軋制板材,化學(xué)成分見表1,力學(xué)性能如表2所示。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of test alloy(wt/%)

表2 試驗(yàn)合金的力學(xué)性能實(shí)測(cè)值Table 2 Measured value of mechanical properties of test alloy

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

板材的生產(chǎn)工藝流程:熔鑄-均勻化退火-銑面-熱軋-冷軋-中間退火-冷軋-清洗-穩(wěn)定化退火-拉彎矯直。冷軋過(guò)程通過(guò)控制軋輥粗糙度和冷軋變形量,對(duì)成品的表面粗糙度進(jìn)行控制,兩種合金狀態(tài)的成品表面粗糙度相近,其中Ra=0.25 μm～0.35 μm,Rz=1.7 μm～2.4 μm。

在上述板材上切取大小為200 mm×200 mm的樣品各12張,隨后根據(jù)表面處理工藝流程制定試驗(yàn)方案,表面處理工藝流程:百潔布拋光→噴砂→化學(xué)拋光→陽(yáng)極氧化。所有樣品的噴砂砂型均選用120#鐵砂,涉及變化的因素有是否進(jìn)行百潔布拋光、噴砂壓力、化學(xué)拋光時(shí)間、陽(yáng)極氧化時(shí)間等四因素,每個(gè)因素下均設(shè)計(jì)兩個(gè)水平,因素水平表如3所示。

化學(xué)拋光液、陽(yáng)極氧化槽液的配方和控制參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)方案如表5所示。通過(guò)比較不同方案的條紋等級(jí),確定具體變量因素對(duì)條紋等級(jí)的影響。

表4 化學(xué)拋光和陽(yáng)極氧化槽液控制參數(shù)Table 4 List of control parameters of chemical polishing and anodizing tank solution

表5 陽(yáng)極氧化條紋影響因素正交試驗(yàn)方案Table 5 Orthogonal test plan for factors affecting anode stripes

在完成全流程表面處理后,將所有樣品在相同的觀察環(huán)境下進(jìn)行質(zhì)量評(píng)級(jí),條紋明顯程度從差到好依次按1～5級(jí)進(jìn)行量化區(qū)分。分別使用3NH公司產(chǎn)品型號(hào)為YT5280的鋁基涂層測(cè)厚儀檢測(cè)氧化膜膜厚,使用3NH公司產(chǎn)品型號(hào)為HG60S的光澤度儀檢測(cè)60°角的光澤度值,使用時(shí)代公司型號(hào)為RT200的手持式粗糙度儀檢測(cè)粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)試驗(yàn)樣品在自然光下進(jìn)行檢測(cè)判斷,并逐一匯總評(píng)級(jí),條紋等級(jí)定義如下,5級(jí)為外觀無(wú)色差條紋(如圖1所示),1級(jí)外觀有明顯縱向色差條紋(如圖2所示)。

圖1 陽(yáng)極氧化表面5級(jí)條紋Fig.1 Anodized appearance stripe level 5

圖2 陽(yáng)極氧化表面1級(jí)條紋Fig.2 Anodized appearance stripe level 1

條紋缺陷經(jīng)陽(yáng)極氧化顯現(xiàn)出來(lái)后,根據(jù)條紋明顯程度評(píng)定結(jié)果如表6所示。

表6 陽(yáng)極氧化條紋等級(jí)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of anodic oxidation stripe defects

2.1 5182H32鋁合金陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)

5182H32鋁合金條紋等級(jí)的正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表7。

表7 5182H32鋁合金條紋等級(jí)分析Table 7 Analysis of stripe level of 5182H32 aluminum alloy

從表7計(jì)算結(jié)果可以看出,5182H32鋁合金陽(yáng)極氧化后條紋最輕(即條紋等級(jí)最高)的工藝方案為A1B2C1D1,即在鋁材表面進(jìn)行百潔布拋光處理后,進(jìn)行3.0 kg的表面噴砂處理,隨后在經(jīng)60 s的化學(xué)拋光后進(jìn)行20 min的陽(yáng)極氧化。

2.2 5052H32鋁合金陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)

5052H32鋁合金條紋等級(jí)的正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表8。

表8 5052H32鋁合金條紋等級(jí)分析Table 8 Analysis of stripe level of 5052H32 aluminum alloy

從表8計(jì)算結(jié)果可以看出,5052H32鋁合金的最佳陽(yáng)極氧化工藝方案為A1B2C1D1,與5182H32鋁合金相一致。對(duì)比表7和表8還可以看出,由于條紋等級(jí)的評(píng)價(jià)分類少,前三個(gè)因素對(duì)陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的影響程度不明顯,故增加部分補(bǔ)充試驗(yàn),試驗(yàn)方案和結(jié)果如表9所示。

表9 補(bǔ)充方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Supplementary plan and test results

增加方案9#～12#后,將有利于分析單一變化因素對(duì)表面條紋缺陷的影響規(guī)律。

3 分析和討論

3.1 鋁合金材質(zhì)對(duì)陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的影響規(guī)律

對(duì)比表7和表8可以看出,5052H32鋁合金的條紋等級(jí)極差在0.25左右,而5182H32鋁合金達(dá)到0.5,即工藝參數(shù)對(duì)5182H32鋁合金陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)影響更大,該差異可能與鋁合金屈服強(qiáng)度增加引起噴砂過(guò)程變形抗力增大和高M(jìn)g合金的耐腐蝕性差有關(guān),合金種類對(duì)陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)影響很大。通過(guò)比較四個(gè)因素的極差還可以發(fā)現(xiàn),兩個(gè)試驗(yàn)合金的條紋等級(jí)受陽(yáng)極氧化時(shí)間影響最大。

3.2 噴砂壓力對(duì)陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的影響規(guī)律

噴砂壓力對(duì)不同合金陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)影響見圖3。

圖3 噴砂壓力與陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的關(guān)系Fig.3 Relationship between sandblasting pressure and stripe level after anodizing

從圖3a中可以看出,在相同的化學(xué)拋光和20 min的陽(yáng)極氧化時(shí)間工藝條件下,對(duì)光鋁進(jìn)行百潔布拋光處理,或者增大噴砂壓力均有利于提升陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí);但延長(zhǎng)化學(xué)拋光時(shí)間至40 s后,噴砂壓力的增加對(duì)改善陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的效果減弱。從圖3b中可以看出,僅改變噴砂壓力對(duì)5052H32鋁合金陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)無(wú)影響,但百潔布拋光處理有利于提高陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí),延長(zhǎng)化學(xué)拋光時(shí)間會(huì)讓條紋加重。

引起該現(xiàn)象的原因是大噴砂壓力下的原始粗糙度和陽(yáng)極氧化后成品的表面粗糙度均更高,粗糙度的增加遮蔽了陽(yáng)極氧化條紋缺陷。

3.3 化學(xué)拋光時(shí)間對(duì)陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的影響規(guī)律

兩個(gè)試驗(yàn)合金在不同化學(xué)拋光時(shí)間下陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)如圖4所示。

圖4 化學(xué)拋光時(shí)間與陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的關(guān)系Fig.4 Relationship between chemical polishing duration and stripe level after anodizing

從圖4中可以看出,增加化學(xué)拋光時(shí)間,不能改善5182H32鋁合金陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí),而5052H32鋁合金在化學(xué)拋光時(shí)間較短的條件下可以改善,但時(shí)間增加到120 s后效果消失。

3.4 陽(yáng)極氧化時(shí)間對(duì)陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的影響

將兩種合金在不同陽(yáng)極氧化時(shí)長(zhǎng)下的樣品條紋等級(jí)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖5所示。

圖5 陽(yáng)極氧化時(shí)間與陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的關(guān)系Fig.5 Relationship between anodizing duration and stripe level after anodizing

從圖5a和圖5b中均可以看出,延長(zhǎng)陽(yáng)極氧化時(shí)間后陽(yáng)極氧化條紋等級(jí)均明顯變差。該現(xiàn)象應(yīng)是陽(yáng)極氧化膜增厚使產(chǎn)品的表面粗糙度顯著降低,陽(yáng)極氧化條紋缺陷逐漸顯現(xiàn)所致。

3.5 光鋁百潔布拋光對(duì)陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的影響

增加百潔布拋光對(duì)兩種合金陽(yáng)極氧化條紋等級(jí)的影響見圖6。

圖6 百潔布拋光與試驗(yàn)合金陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí)的關(guān)系Fig.6 Relationship between surface polishing process and stripe level after anodizing

比較圖6中的數(shù)據(jù)可以看出,增加百潔布拋光打磨工藝可提升陽(yáng)極氧化后條紋等級(jí),但大噴砂壓力和長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)極氧化處理會(huì)抵消百潔布拋光帶來(lái)的條紋等級(jí)提升。

4 結(jié) 論

1)5182H32和5052H32鋁合金,經(jīng)百潔布拋光處理和3.0 kg的表面噴砂處理后,再經(jīng)60 s的化學(xué)拋光和20 min的陽(yáng)極氧化,產(chǎn)生的陽(yáng)極氧化條紋最輕,且5182H32鋁合金條紋等級(jí)優(yōu)于5052H32鋁合金的,即陽(yáng)極氧化后的條紋等級(jí)與鋁基材密切相關(guān),表面處理工藝只能在一定程度上減輕條紋。

2)鋁合金的屈服強(qiáng)度與噴砂后獲得的表面效果密切相關(guān),產(chǎn)品的噴砂壓力需根據(jù)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)和要求調(diào)整噴砂參數(shù)。增大噴砂壓力可減輕陽(yáng)極氧化后的條紋,但陽(yáng)極氧化時(shí)間需進(jìn)行控制。

3)光鋁經(jīng)百潔布拋光能減輕成品陽(yáng)極氧化后的條紋,尤其結(jié)合較大的噴砂壓力效果更好,但百潔布拋光處理減輕條紋的效果會(huì)隨氧化膜厚度的增加而減弱。

4)隨著陽(yáng)極氧化時(shí)間的延長(zhǎng),在陽(yáng)極氧化膜增厚的同時(shí)條紋逐漸加重。