提高6063铝合金表面耐蚀性能的途径研究

2011-03-13张建新高爱华

航空材料学报 2011年2期

张建新，高爱华

(1.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454000;2.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作454000)

6063铝合金具有良好的热塑性、优良的耐蚀性及理想的综合机械性能，而且容易进行电镀处理，因而被广泛用于生产工业型材、建筑行业型材及电子散热器材。根据应用环境的不同，对材料的性能要求存在很大差别，例如用于电子基站散热系统的高端产品，往往要经过复杂的镀镍、镀锡处理，这对材料的表面性能要求较高［1～3］。生产实践中发现，不少铝型材经过镀锡处理后，产品表面出现很多黑斑点，随后斑点处表层开始剥落(大约2个月后)，型材表面出现了大面积的腐蚀缺陷(见图1)，严重影响了产品的表面质量。电镀前要经过很多中间环节(如碱蚀、酸洗、镀锌等)，材料所处环境极为恶劣［4～6］。为了合理改善铝型材的组织结构，获得良好的耐蚀性能，有必要研发一种高性能电镀铝合金材料，以适应当前高端产品的市场需求［7］。本工作以6063铝合金为研究对象，通过调整化学成分、改善均匀化制度和采用合理的挤压工艺三种途径，对电镀产品的耐蚀性能进行了分析。

1 实验材料和方法

图1 电镀铝型材出现的表面缺陷Fig.1 Surface defect of plating aluminum extrusion

采用纯铝锭、纯镁、铝硅中间合金配制6063铝合金，合金化学成分见表1。在7.5kW电阻炉中用石墨坩埚熔炼相应的实验材料，然后浇铸成直径为85mm的圆形铸锭，用300吨油压机将铸锭挤压成散热铝型材，然后对挤压型材进行人工时效处理。各试样编号后进行表面镀锡，然后对比材料的电镀性能。

表1 6063铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 The chemical ingredient of 6063 aluminum alloy(mass fraction/%)

用PHILIPS-XL30型扫描电子显微镜观察组织的形貌特征，利用EPMA电子探针技术分析材料的成分组成，采用X射线衍射仪进行物相定性分析(XRD)，用物理天平和化学腐蚀方法测定其他腐蚀参数。

2 实验结果与分析

2.1 化学成分的影响

为了获得表面耐蚀性能较好的铝型材制品，先分析腐蚀缺陷处残留物的化学成分，筛选出合理的成分配比。表2是利用EPMA电子探针技术对腐蚀处残留物进行成分分析的数据，其中编号为1，2，3，4的试样表面腐蚀情况较为严重，5号试样则是按正常工艺处理，腐蚀缺陷情况较轻。

表2 腐蚀缺陷处残留物的成分分析(质量分数/%)Table 2 Composition analysis of residuum in corrosion defect(mass fraction/%)

从表中数据可知，腐蚀斑点处的残留物成分主要是游离Si相(1，2点)和AlSiFe相(3，4点)，而另一种合金元素Mg则很少参与，同时还发现氯元素在残留物处发生了吸附，这说明氯离子(Cl―)可能参与了腐蚀过程。不论是游离Si相还是三元化合物AlSiFe相，都有Si元素的参与。设想组织中没有多余的Si元素存在，也就消除了游离Si相和AlSiFe相，从这个意义分析，说明合理调整铝合金的化学成分十分重要。在6063铝合金中，主要合金元素Mg，Si成分范围较宽，不同用途的材料其质量比值不同，为了改善合金的强度，确保Mg元素能充分形成强化相Mg2Si，一般在配制合金成分时使Si元素适量过剩，因为随着Si含量的增加，组织晶粒变细，热处理效果明显［8］。另一方面，Si元素的过剩也有负面作用，使合金材料的塑性降低，耐蚀性能变坏。研究表明：当镁、硅质量比值在1.70～1.50之间时(正常比值为1.73)，组织中出现的游离Si相和AlSiFe相很少，合金材料的耐腐蚀性能较好，电镀型材的表面出现腐蚀缺陷的概率大大降低(见图2);当镁、硅质量比值小于1.4后，晶界处出现了很多游离态Si元素(见图3)，铝合金的耐蚀性能显著降低，电镀后产品表面出现了大面积的腐蚀缺陷。

针对以上理论分析，结合多次现场实验对比，得出控制6063铝型材电镀产品的腐蚀缺陷，改善6063铝型材耐蚀性能的途径之一就是：在满足材料强度要求的前提下，采用下限配制合金化学成分，具体配方为Mg含量0.596%，Si含量0.383%，此时二者质量之比为1.556，Si过剩0.04%。

2.2 均匀化处理的影响

铝合金铸锭在挤压成型前的均匀化处理对改善型材的组织十分重要。不少厂家为了降低加工成本，省去了均匀化处理，然而对于电镀铝型材产品这道工序不能没有，因为均匀化处理对铝型材的表面性能至关重要。为了分析均匀化处理对材料耐蚀性能的影响，采取对比手法做了如下实验：在室温条件下，将经过均匀化处理快速冷却、均匀化处理缓慢冷却及未经均匀化处理的试样分别称重后浸入3.5% NaCl+1%H2O2的腐蚀介质中72h，取出晾干后再次用物理天平称重，获得表3数据，其中Wf，Wa分别表示试样腐蚀前后的质量，Ht表示均匀化处理方式，Slip代表相对损失率。

表中数据表明：经均匀化处理快速冷却方式得到的试样具有良好的耐腐蚀性能，未经均匀化处理的试样耐腐蚀性能最差，而经均匀化处理缓慢冷却的试样耐腐蚀性能居中。6063铝合金产生腐蚀的典型现象是局部点腐蚀，从电化学腐蚀的机理看，引起局部点蚀的重要原因是微电池的形成，一般说来，成分及组织的均匀性提高可抑制微电池的形成，这就是说组织越均匀，腐蚀中反应速率越慢，材料的相对损失率越小［9］。铸锭通过均匀化处理后，合金铸态组织发生如下变化：晶界和晶内偏析基本消除，强化相Mg2Si溶入α基体铝中，不平衡共晶组织消失，针状β (Al9Fe2Si2)相向球状α(Al12Fe3Si2)相转化(见图4)。通过上述变化，合金材料的加工性能得到很大改善，如降低了挤压时金属流动的不均匀性、减少了型材表面裂纹倾向等不利因素，后续挤压过程中也确实证明了这一点;另外，采用快速冷却主要是使组织中析出的Mg2Si相细小均匀，在后续加工过程中易于重溶，这使得产品的时效热处理效果较为理想。

表3 均匀化处理对合金腐蚀性能的影响Table 3 Effect of homogenizing treatment on corrosion performance

图4 均匀化处理对合金铸态组织的影响对比(a)均匀化前;(b)均匀化后Fig.4 The effect of homogenizing treatment on cast structure of the alloy(a)before homogenizing;(b)after homogenizing

综合以上分析，实验中得出的最佳均匀化处理工艺如图5所示，不难看出改善铝型材耐蚀性能的途径之二是：挤压前对铸锭进行必要的均匀化处理，采用560℃/6h热处理制度效果较好，铸锭出炉后先进行强制风冷，230℃以后用水雾强制冷却至室温，整个冷却过程应在1h左右完成。

2.3 挤压工艺的影响

要获得表面耐蚀性能较强的材料，挤压工艺参数是其重要一环。为了制定出适合6063铝合金的挤压工艺，参照前一节实验原理，对相同规格的挤压制品做了三个批次的耐腐蚀性能研究，具体实验数据如见表4所示，其中符号Tout，Cm，Wf，Wa和Slip分别代表型材的出口温度、冷却方式、试样腐蚀前质量、腐蚀后质量及腐蚀相对损失率。

图5 均匀化处理工艺示意图Fig.5 Diagrammatic sketch of homogenizing treatment craft

表4 挤压工艺对合金腐蚀性能的影响Table 4 Effect of extrusion technology on corrosion property of alloy

分析表中数据知道：当型材出口温度为510℃快速冷却时，挤压型材具有最佳的耐腐蚀性能，出口温度过高或过低均对材料的耐腐蚀性能有负面影响;相对于快速冷却，缓慢冷却方式不利于材料的耐腐蚀性能发挥。6063铝合金可加工性能较好，挤压前的快速预热温度一般在480℃左右，坯锭的快速预热并不会改变均匀化组织结构，而且沉淀相Mg2Si仍然保持着较低的变形抗力［10］。对于实心型材而言，为了改善组织的均匀性，通常型材的挤出速率在30m/min以上;再者，为了使Mg2Si充分固溶于铝基体中，型材的出口温度应大于500℃，但为了保证型材的表面质量及尺寸精度，出口温度一般不超过530℃。实际上在一定的挤压条件下，型材的出口温度随出口速率的增加而增加(见图6)，为了保证型材出口温度在510℃左右，可以采取改变挤压速率的方法调节型材出口温度，图中对应于510℃的型材出口速率大约为37m/min，这个速率数值与前面的分析范围一致;最后需要特别指出的是，出模型材的快速冷却有利于改善材料的强度，Mg2Si强化相不容易脱溶［11］。