于 宏,邵奎星,孫雯鑫

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司龍口南山鋁壓延新材料有限公司,山東 龍口 265700)

機(jī)身外殼輕量化是當(dāng)前手機(jī)等電子產(chǎn)品應(yīng)用材料的發(fā)展趨勢(shì)之一。6×××系鋁合金具有強(qiáng)度高、焊接性好、加工性好、可熱處理強(qiáng)化等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于車體、船舶、家具、精密零件等[1]。

合金的晶粒度是合金性能的決定性因素之一,晶界上原子排列紊亂,雜質(zhì)富集,晶體缺陷密度大,且晶界兩側(cè)晶粒位向不同,這些因素對(duì)位錯(cuò)滑移產(chǎn)生很大阻礙,使強(qiáng)度和硬度升高。晶粒越細(xì),晶界總面積就大,強(qiáng)度就越高[2]。

晶粒度測(cè)定有三種方法,即比較法、平面計(jì)算法和截距法[3]。本試驗(yàn)使用截距法檢測(cè)晶粒度。截距法是通過(guò)計(jì)數(shù)給定長(zhǎng)度的測(cè)量線段(或網(wǎng)格)與晶粒邊界(晶界)相交數(shù)來(lái)測(cè)定晶粒度。在進(jìn)行晶粒度分析時(shí),要求再結(jié)晶晶粒能足夠完全在金相樣品的檢測(cè)面上顯現(xiàn)出來(lái),以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

我公司在對(duì)熱處理狀態(tài)為T4、厚度為12.5 mm的6R01鋁合金手機(jī)背板進(jìn)行晶粒度分析時(shí),使用常用的化學(xué)浸蝕劑或陽(yáng)極化覆膜方法制備的樣品,再結(jié)晶的晶粒顯現(xiàn)不完全,得出的數(shù)據(jù)誤差較大。本試驗(yàn)采用多種顯微組織浸蝕劑浸蝕、陽(yáng)極化覆膜法或浸蝕和陽(yáng)極化覆膜相結(jié)合的方法制備金相樣品,制備后的樣品進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察,選出使樣品呈現(xiàn)的再結(jié)晶晶粒較完全的最佳樣品進(jìn)行檢測(cè),并將此方法用于生產(chǎn)檢驗(yàn),以提高晶粒度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用材料采用南山鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的6R01鋁合金板材,其熱處理狀態(tài)為T4,厚度為12.5 mm。

1.2 取樣方向

手機(jī)背板用6R01T4鋁合金板材在出廠檢測(cè)時(shí)要求檢測(cè)晶粒度的樣品方向?yàn)榘宀牡谋砻婧团c軋制方向平行的橫截面。前期生產(chǎn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),板材的表面晶粒顯現(xiàn)效果較差,因此本試驗(yàn)樣品的取樣位置為板材的表面。

1.3 試驗(yàn)步驟

將樣品進(jìn)行鋸切、鑲嵌、研磨和拋光,得到試驗(yàn)所需的金相樣品。使用多種顯微組織浸蝕劑浸蝕、陽(yáng)極化覆膜或浸蝕和陽(yáng)極化覆膜相結(jié)合的方法,進(jìn)行金相樣品制備的對(duì)比試驗(yàn)。

1.4 浸蝕劑種類及配比

化學(xué)浸蝕試劑及配比如表1所示,其中1#和2#為氫氟酸溶液,2#和3#為磷酸溶液,其余為混合酸溶液,陽(yáng)極化覆膜使用的溶液為氟硼酸溶液(2.5 g/L)[4]。鋁合金顯微組織浸蝕劑常用的化學(xué)試劑有氫氟酸、鹽酸、硝酸和磷酸等,其中氫氟酸對(duì)晶界具有較高的溶解能力;鹽酸對(duì)金屬氧化物具有較高的溶解作用;硝酸是一種氧化型強(qiáng)酸,主要起光亮潔凈作用;磷酸是中等強(qiáng)度的無(wú)機(jī)酸,浸蝕能力較弱,磷酸浸蝕劑一般需加熱使用。

表1 化學(xué)浸蝕劑的種類及成分配比

2 試驗(yàn)觀察及結(jié)果

金相試樣拋光完成后,在金相顯微鏡下觀察,只能觀察到樣品中白色光亮的鋁基體和殘留的第二相,需要通過(guò)化學(xué)浸蝕或陽(yáng)極化覆膜的方法使其晶界顯現(xiàn)。將試驗(yàn)用樣品鑲嵌和磨拋后,分別用表1中的浸蝕劑浸蝕樣品,浸蝕時(shí)間以顯現(xiàn)出較完整的晶界為好。

2.1 化學(xué)浸蝕

合金中的原子排列是有序的,樣品拋光面上各晶粒內(nèi)的原子排列也是有序的,各晶粒的晶體結(jié)構(gòu)雖然相同,但由于各晶粒的位向不同,使得晶粒間的晶界上的原子排列紊亂,并具有較高的自由能。在電解質(zhì)溶液中,因自由能的不同具有不同的電極電位,可形成許多微小的電解池,電位較低的部分作為陽(yáng)極溶解或沉積凹陷,從而使反應(yīng)物著色。在光學(xué)顯微鏡下觀察,光線在晶界處被折射,不能進(jìn)入物鏡而顯現(xiàn)出黑色。合金中的各晶粒因位向的不同具有不同的自由能,在化學(xué)浸蝕時(shí)雖輕微受浸蝕,但各晶粒受到浸蝕的程度也不同,在光學(xué)顯微鏡垂直光照射下呈現(xiàn)明暗不一的顏色,使各晶粒的顏色稍有差異[5]。

2.1.1 氫氟酸溶液

圖1所示的顯微組織為樣品在1#浸蝕劑中浸蝕300 s后的照片。從圖1可以看出,浸蝕后的該樣品組織中殘余的第二相經(jīng)浸蝕后顏色過(guò)深,而樣品的晶界顯現(xiàn)并不完全,部分基體上的彌散析出質(zhì)點(diǎn)急劇增加已經(jīng)發(fā)黑,從而掩蓋晶界,難以觀察。

圖1 1#浸蝕劑浸蝕300 s后的顯微組織

圖2所示的顯微組織為樣品在2#浸蝕劑中浸蝕120 s后的照片。從圖2可以看出,提高氫氟酸濃度縮短浸蝕時(shí)間后,該樣品組織中殘余的第二相著色效果較好,但部分晶界沒有顯現(xiàn),部分基體上的彌散析出質(zhì)點(diǎn)增加過(guò)多,繼續(xù)浸蝕不利于觀察晶界。

圖2 2#浸蝕劑浸蝕120 s后的顯微組織

2.1.2 磷酸溶液

圖3所示的顯微組織為樣品在3#浸蝕劑中浸蝕1 200 s后的照片。從圖3可以看出,樣品經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間浸蝕后依然無(wú)法顯現(xiàn)樣品晶界,樣品中殘余的第二相著色明顯,可以繼續(xù)增加浸蝕時(shí)間,但時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不能夠投入到日常檢測(cè)中。

圖3 3#浸蝕劑浸蝕1 200 s后的顯微組織

圖4所示的顯微組織為樣品在4號(hào)浸蝕劑中浸蝕900 s后的照片,從圖4可以看出,提高磷酸濃度、減少浸蝕時(shí)間后,少部分晶界顯現(xiàn)出來(lái),彌散相著色明顯,繼續(xù)增加浸蝕時(shí)間樣品的顯微組織發(fā)黑,難以辨識(shí)晶界。

圖4 4#浸蝕劑浸蝕900 s后的顯微組織

2.1.3 混合酸溶液

1)氫氟酸+鹽酸+硝酸+水

圖5和圖6為樣品分別在5#和6#浸蝕劑中浸蝕180 s后的顯微組織。從圖可以看出,5#浸蝕劑浸蝕后的樣品中大部分晶界已經(jīng)顯現(xiàn),較6#浸蝕劑浸蝕后的樣品更加完整,殘余的第二相著色較6#浸蝕劑浸蝕后的樣品著色淺,更利于觀察樣品晶界。

圖5 5#浸蝕劑浸蝕180 s后的微組織

圖6 6#浸蝕劑浸蝕180 s后的顯微組織

圖7為樣品在7#浸蝕劑中浸蝕300 s后的顯微組織。從圖7可以看出,浸蝕后樣品中殘余的第二相和彌散相均已著色,晶界幾乎沒有顯現(xiàn),繼續(xù)浸蝕600 s后的顯微組織如圖8所示。從圖8可以看出,樣品已過(guò)浸蝕,晶界呈現(xiàn)雙晶界,再結(jié)晶晶粒的晶界基本顯現(xiàn)出來(lái),但由于基體上彌散析出質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量急劇增加,使得浸蝕出的晶界顯現(xiàn)不清晰,影響了晶粒度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 7#浸蝕劑浸蝕300 s后的顯微組織

圖8 7#浸蝕劑浸蝕300 s+600 s后的顯微組織

通過(guò)圖5、圖6和圖7可以看出,隨著HF酸含量的增加,晶界顯現(xiàn)的數(shù)量也明顯增加。由此可見,HF酸對(duì)晶界的浸蝕作用較強(qiáng)。

2)氫氟酸+鹽酸+水

圖9為樣品在8#浸蝕劑中浸蝕480 s后的顯微組織。從圖9可以看出,樣品的基體上均勻分布著彌散析出質(zhì)點(diǎn),大多數(shù)再結(jié)晶晶粒的晶界已顯現(xiàn)出來(lái),只有少數(shù)晶粒的晶界沒有顯現(xiàn)出來(lái)。將樣品再加深浸蝕4 min后,其顯微組織見圖10。樣品已過(guò)浸蝕,晶界呈現(xiàn)雙晶界,再結(jié)晶晶粒的晶界基本上顯現(xiàn)出來(lái)。晶界顯現(xiàn)效果好于浸蝕時(shí)間8 min的樣品,只有極少量晶粒的晶界沒有顯現(xiàn),但由于組織中殘余的第二相著色過(guò)深,基體上的彌散析出質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量急劇增加,使得浸蝕出的晶界顯現(xiàn)的清晰度降低,影響了晶粒度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 8#浸蝕劑浸蝕480 s后的顯微組織

圖10 8#浸蝕劑浸蝕480 s+240 s后的顯微組織

3)氫氟酸+鹽酸+水(調(diào)節(jié)成分后)

8#浸蝕劑和其他編號(hào)的浸蝕劑相比,其浸蝕晶界的效果較好,大多數(shù)晶粒的晶界已顯現(xiàn),但浸蝕時(shí)間較長(zhǎng),影響了樣品的制樣效率。

在經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)總結(jié)后可以得出,浸蝕劑中的主要成分氫氟酸對(duì)晶界的浸蝕作用較強(qiáng),因此在8#浸蝕劑基礎(chǔ)上,將氫氟酸與鹽酸和水的比例調(diào)整,經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)浸蝕劑的成分配比為HF、HCL、H2O的體積比為1∶1∶11(以下稱9#浸蝕劑)時(shí),僅用210 s浸蝕就可將大多數(shù)晶粒的晶界顯現(xiàn)出來(lái),其晶界的顯現(xiàn)效果等同于8#的浸蝕劑浸蝕8 min的效果。由此可見,用9#浸蝕劑浸蝕的樣品,其浸蝕時(shí)間大大縮短,且浸蝕晶界的效果也較好,如圖11所示。

圖11 9#浸蝕劑浸蝕210 s后的顯微組織

由于還有少數(shù)晶粒的晶界沒有顯現(xiàn)出來(lái),將樣品再加深浸蝕180 s(浸蝕時(shí)間共6.5 min),其顯微組織見圖12。圖12和圖10的顯微組織相近。晶界基本上顯現(xiàn)出來(lái),但由于組織中殘余的第二相著色過(guò)深,基體上彌散析出質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量急劇增加,樣品組織發(fā)黑嚴(yán)重,使得浸蝕出的晶界顯現(xiàn)的清晰度降低,影響了晶粒度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 9#浸蝕劑浸蝕210 s+180 s后的顯微組織

2.2 陽(yáng)極化覆膜

鋁合金是由許多晶粒組成的多晶體,就宏觀金屬整體來(lái)說(shuō),各個(gè)晶粒的晶面取向是任意的、紊亂的,晶粒的各向異性在多晶體的不同方向上彼此抵消,而顯示出多晶體的各向同性。即多晶體在微觀上具有各向異性,宏觀上是各向同性的。具有各向同性的鋁合金樣品,經(jīng)陽(yáng)極化覆膜后,在樣品的拋光面上生成一層薄膜。這種薄膜是各向異性的,薄膜的組織結(jié)構(gòu)、位向和分布狀態(tài)完全對(duì)應(yīng)它底下的鋁合金晶粒的形貌特征。在光學(xué)顯微鏡的偏振光下觀察,由于每個(gè)晶粒的反射光偏轉(zhuǎn)的角度都不同,可看到具有不同顏色的晶粒[6]。

對(duì)樣品進(jìn)行鑲嵌和磨拋后,直接進(jìn)行陽(yáng)極化覆膜,陽(yáng)極化覆膜的參數(shù)如下:電壓28 V,時(shí)間210 s,覆膜液為氟硼酸水溶液。在光學(xué)顯微鏡的偏振光下觀察覆膜后的樣品偏光組織如圖13所示,部分區(qū)域再結(jié)晶的晶粒顯現(xiàn)清晰,還有部分區(qū)域(如左圖中的紫色區(qū)域和右圖中的褐色區(qū)域)由于各晶粒的顏色相近,使得這個(gè)區(qū)域的晶粒顯現(xiàn)不清晰而難以區(qū)分,因此12.5 mm板材蘋果料表面只經(jīng)陽(yáng)極化覆膜制備出的樣品,進(jìn)行晶粒度檢測(cè)時(shí),分析的難度和誤差較大,很難保證晶粒度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖13 板材樣品的偏光組織

2.3 化學(xué)浸蝕和陽(yáng)極化覆膜相結(jié)合的方法

化學(xué)浸蝕法和陽(yáng)極化覆膜法均可顯現(xiàn)鋁合金的晶粒,但都有無(wú)法顯現(xiàn)出的晶粒。只有受檢樣品的晶粒顯現(xiàn)較完全,在晶粒度檢測(cè)時(shí)才能保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為彌補(bǔ)浸蝕劑浸蝕后晶粒顯現(xiàn)不完全問(wèn)題,采用化學(xué)浸蝕與陽(yáng)極化覆膜結(jié)合的方法,使化學(xué)浸蝕未顯現(xiàn)出的晶粒以不同的顏色顯現(xiàn)出來(lái)。5#浸蝕劑的配比為試驗(yàn)最常用的配比,6#浸蝕劑的配比為腐蝕能力最強(qiáng)的配比,圖14、15分別為經(jīng)過(guò)5#浸蝕劑和6#浸蝕劑浸蝕180 s樣品陽(yáng)極化覆膜后的偏振光照片(電壓28 V,時(shí)間210 s)。

圖14 5#浸蝕劑浸蝕180 s樣品經(jīng)陽(yáng)極化覆膜后的偏振光照片

圖15 6#浸蝕劑浸蝕180 s樣品經(jīng)陽(yáng)極化覆膜后的偏振光照片

由圖14、15可以觀察到,分別經(jīng)過(guò)5#浸蝕劑和6#浸蝕劑浸蝕陽(yáng)極化覆膜后樣品晶粒顯現(xiàn)仍不完全,部分晶粒間晶界仍不清晰,圖中的畫圈處,用化學(xué)浸蝕法未能浸蝕出的晶粒,經(jīng)陽(yáng)極化覆膜后,此處的各晶粒以不同的顏色顯現(xiàn)出來(lái)。

圖16為樣品經(jīng)9#浸蝕劑浸蝕210 s,再進(jìn)行陽(yáng)極化覆膜后的偏振光圖片(電壓28 V,時(shí)間210 s)。由圖16可見,中心畫圈處用化學(xué)法浸蝕顯現(xiàn)是3個(gè)晶粒,覆膜法只顯現(xiàn)2個(gè)晶粒。右圖中的右上部畫圈處的藍(lán)色區(qū)域,用化學(xué)法浸蝕后顯現(xiàn)是3個(gè)晶粒,覆膜法只顯示為1個(gè)晶粒；右圖中的左下角的畫圈處,深褐色區(qū)域用化學(xué)法浸蝕顯現(xiàn)為2個(gè)晶粒,覆膜法顯示為1個(gè)晶粒,淺褐色區(qū)域用化學(xué)法未能浸蝕出的晶粒,經(jīng)陽(yáng)極化覆膜后,此處的各晶粒用不同的顏色而顯現(xiàn)出來(lái)。

圖16 經(jīng)9#浸蝕劑浸蝕3.5 min后陽(yáng)極化覆膜的偏光組織

3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)陽(yáng)極化覆膜法制備的樣品效果分析后可知,直接對(duì)6R01T4鋁合金手機(jī)背板材料使用陽(yáng)極化覆膜的方法進(jìn)行晶粒度檢測(cè),雖然可以通過(guò)不同的顏色顯現(xiàn)出各晶粒,但不能清晰地區(qū)分各晶粒。

通過(guò)對(duì)不同化學(xué)浸蝕劑浸蝕的樣品效果分析后可知:

1)磷酸對(duì)晶界的浸蝕作用較弱,使用磷酸浸蝕劑的效果很差,只有極少數(shù)晶粒的晶界模糊的顯現(xiàn)出來(lái),即使過(guò)浸蝕也并不能清晰看見,因此不建議使用磷酸浸蝕劑。

2)氫氟酸浸蝕劑的效果較差,只能顯現(xiàn)出少部分晶界,且晶粒不清晰,因此不建議使用氫氟酸浸蝕劑。

3)氫氟酸+鹽酸+硝酸+水浸蝕劑的浸蝕效果較一般,再結(jié)晶晶粒的晶界顯現(xiàn)不完全,雖然隨著氫氟酸含量的增加,晶界顯現(xiàn)的效果也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),但仍不能滿足晶粒度檢測(cè)的要求,因此不建議使用氫氟酸+鹽酸+硝酸+水浸蝕劑。

4)氫氟酸+鹽酸+水浸蝕劑的浸蝕效果較好,分布著少數(shù)彌散析出質(zhì)點(diǎn),大多數(shù)再結(jié)晶晶粒的晶界已顯現(xiàn)出來(lái),但是消耗的時(shí)間較長(zhǎng)。為了提高制樣效率,提高氫氟酸的含量占比后,能使大多數(shù)晶粒的晶界顯現(xiàn)出來(lái),且縮短了一半的制樣時(shí)間,在幾種浸蝕劑中效果最好,可以考慮使用此種浸蝕劑。

為了確保得到最優(yōu)的樣品制備方案,使用目前已知浸蝕效果最好的9#浸蝕劑對(duì)樣品進(jìn)行浸蝕后,再進(jìn)行陽(yáng)極化覆膜。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)化學(xué)浸蝕后,少數(shù)晶粒未顯現(xiàn)出晶界的區(qū)域中的晶粒以不同的顏色顯現(xiàn)出來(lái),而陽(yáng)極化覆膜后由于顏色相近難以區(qū)分的晶粒,由于經(jīng)過(guò)化學(xué)浸蝕后晶界的顯現(xiàn)也可以進(jìn)行區(qū)分。由此可見,用化學(xué)浸蝕法浸蝕后未顯現(xiàn)晶界的少數(shù)晶粒,可用陽(yáng)極化覆膜法使各晶粒呈現(xiàn)出的不同顏色來(lái)彌補(bǔ)。而陽(yáng)極化覆膜法中顏色相近無(wú)法區(qū)分各晶粒的區(qū)域,也能用化學(xué)浸蝕法浸蝕出的晶界來(lái)彌補(bǔ)。兩種方法的結(jié)合,使制備出的樣品檢測(cè)面的晶粒能較完全地顯現(xiàn)出來(lái),極大程度地減少了由于制備樣品引入的誤差,提高了12.5 mm厚的6R01T4鋁合金手機(jī)背板料的晶粒度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1)6R01T4鋁合金手機(jī)背板材料采用HF、HCL、H2O體積比為1∶1∶11的浸蝕劑,浸蝕時(shí)間210 s,可使大多數(shù)晶粒的晶界顯現(xiàn)出來(lái)。

2)對(duì)化學(xué)法浸蝕后的樣品進(jìn)行陽(yáng)極化覆膜(以氟硼酸水溶液為覆膜液,電壓28 V,時(shí)間200 s),通過(guò)不同晶粒顏色顯現(xiàn),能夠區(qū)分出化學(xué)法浸蝕后未顯現(xiàn)的晶粒。

3)用化學(xué)浸蝕法和陽(yáng)極化覆膜法相結(jié)合的方法,能使待測(cè)樣品的晶粒顯現(xiàn)較完全,保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,可用于生產(chǎn)檢測(cè)。