阳极氧化用3003铝合金冷轧带材组织条纹的成因分析与改进措施

陈祚启， 陈小利，李 娜，蒲 亮，王 宁，刘 煜

（1.广西柳州银海铝业股份有限公司，广西 柳州 545001；2.中铝河南铝业有限公司，河南 洛阳 471000）

阳极氧化用3003铝合金冷轧带材组织条纹的成因分析与改进措施

陈祚启1， 陈小利2，李 娜2，蒲 亮2，王 宁2，刘 煜1

（1.广西柳州银海铝业股份有限公司，广西 柳州 545001；2.中铝河南铝业有限公司，河南 洛阳 471000）

试验研究了3003铝合金冷轧带材阳极氧化后表面条纹的产生原因，结果表明：表面条纹缺陷是一种组织条纹，其产生的根本原因是带材内部存在沿着轧制方向、间断分布的异常粗大晶粒组织。异常粗大的晶粒影响氧化膜的形成和形态，使氧化膜的大小、形态、数目异常，宏观表现为条纹。另外，第二相粒子会起到抑制、阻碍晶粒长大的作用，从而影响阳极氧化膜的形成，间接对组织条纹的产生起到影响和抑制作用。解决组织条纹的根本途径在于通过调整熔炼、在线处理、铸造、均匀化加热各工序的工艺要素来细化合金晶粒。

3003铝合金；表面条纹；组织条纹；粗大晶粒；第二相粒子；晶粒细化

0 前言

铝及铝合金带材经过“脱脂→碱蚀→中和→阳极氧化→电解着色→封孔”等工艺处理后，具有表面强度高、易成型、表面色泽均匀、美观、耐蚀性及耐磨性强等优良特点，因而被广泛应用于制作照明灯饰、 室内装潢、 家具厨房、家用电器面板、电子产品外壳、首饰盒等各种装饰外观和内饰件。但阳极氧化用铝及铝合金冷轧带材是行业内公认的“高、精、尖”产品之一，工艺要求高，质量控制难度大。

某公司在国内率先研发出高端阳极氧化用3003铝合金冷轧带材，但在该产品试制过程中，曾遇到严重的表面条纹质量缺陷，遭遇客户退货，后经工艺改进，攻克了这一质量难题，恢复了正常生产。本文分析了阳极氧化用3003铝合金冷轧带材表面条纹的产生原因并提出了改进措施。

1 试验材料与方法

试验材料为3003铝合金，其化学成分见表1。试验工艺流程为：配料→装炉→熔炼→搅拌→扒渣→化学成分分析→成分调整→转炉→精炼→静置→成分二次调整→在线晶粒细化→在线除气→在线过滤→铸造→扁铸锭锯切头尾部→均匀化加热→热轧→冷粗轧→清洗→中间退火→冷精轧→拉伸弯曲矫直切边倒卷→检验包装。

表1 3003铝合金化学成分（质量分数/%）

试验将按照上述化学成分与工艺流程生产得到的3003铝合金冷轧带材取300×1000mm的样品若干片，于简易阳极氧化槽中按照“在NaOH液（浓度50～100g/L）中碱洗1～2min，碱洗掉带材表层0.01mm，水洗，在温度≤30℃、电压15V、电流密度1.5 A/dm2的条件下，于H2SO4液（浓度100ml/L）中酸洗20min”的方法，进行模拟阳极氧化试验，然后肉眼观察、光学显微镜观察及扫描电镜观察样品表面质量。再将模拟阳极氧化试验后的样品按照《GB/T 3246.1-2012 变形铝及铝合金制品组织检验方法 第1部分：显微组织检验方法》的要求，采用氢氟酸溶液（体积比HF∶H2O=1∶1）侵蚀缺陷样品2～5min，用水冲洗，然后用硝酸溶液（体积比HF∶H2O=1∶19）洗去侵蚀产物，再用水冲洗，酒精棉擦干样品表面后进行肉眼观察样品表面质量。

2 试验结果

2.1 模拟阳极氧化后的缺陷特征

经过模拟阳极氧化后的3003铝合金冷轧带材，表面出现条纹缺陷，缺陷特征为：条纹正对着光线不易观察，侧光更容易看到；条纹沿着轧制方向间断散乱分布；条纹处颜色比质量正常部位明显发亮；条纹与质量正常区域边界稍微明显；条纹宽度1～3mm；长度不一，最长可达25cm；上下整个板面密集分布，如图1所示。

图1 表面条纹缺陷形貌特征

图2 没有条纹的正常样品表面

2.2 阳极氧化后光学显微镜高倍观察结果

由图3、图4可知，样品阳极氧化后，有条纹区域的氧化膜不均匀，存在明显的凹痕；无条纹区域的氧化膜均匀，无明显的凹痕存在。

图3 有条纹区域 500X

图4 无条纹区域 500X

2.3 氢氟酸侵蚀后晶粒肉眼观察结果

由图5、图6可知，样品阳极氧化后再经过氢氟侵蚀，有条纹区域除了纤维组织外，还可以用肉眼观察间断的异常、粗大的晶粒组织，这些间断的异常、粗大的晶粒组织将纤维组织隔开，导致整个表面纹路粗、不均匀；无条纹区域用肉眼仅能观察到紧密、均匀的纤维组织，整个表面纹路细腻、均匀。

图5 有条纹区域的晶粒和纤维组织特征

图6 无条纹区域的晶粒和纤维组织特征

2.4 阳极氧化后样品扫描电镜观察结果

由图7、图8可知，样品阳极氧化后，用扫描电镜观察，有条纹区域仅能观察到个别、散乱分布的第二相粒子；无条纹区域可以观察到数量较多、分布较均匀的第二相粒子。绝大多数第二相粒子存在于氧化膜腐蚀坑道里。

图7 有条纹区域的第二相粒子形态及分布

图8 无条纹区域的第二相粒子形态及分布

3 分析、比较与讨论

（1）从有条纹区域存在间断的异常、粗大的晶粒组织及有条纹区域第二相粒子数量少，分布散乱等特征可知，阳极氧化用3003铝合金冷轧带材表面条纹缺陷是一种组织缺陷，是一种组织条纹。

（2）产生组织条纹的根本原因是3003铝合金冷轧带材内部存在沿着轧制方向、间断分布的异常粗大晶粒组织。异常粗大的晶粒与纤维组织对氧化膜的形成和生长的影响作用是不一样的[1]，最终导致带材阳极氧化结束后，氧化膜的大小、层次、形态、数量等不一样[2]。而不一样的氧化膜对可见光的反射效果不一样，进而导致了人们用肉眼观察铝板表面出现亮度不均、色泽不一的效果，即观察到表面条纹缺陷。

（3）第二相粒子存在于晶界或者枝晶界区域，当铝及铝合金带材内部晶粒长大时，它们会起到抑制、阻碍作用[3]。合金内部的第二相粒子数量越多、分布越均匀，则越能起到晶粒细化的作用[4]。这就解释了为什么有条纹区域仅能观察到个别、散乱分布的第二相粒子，而无条纹区域可以观察到数量较多、分布较均匀的第二相粒子的原因。

（4）解决阳极氧化用3003铝合金冷轧带材组织条纹缺陷的根本出路在于使合金得到细小、均匀的晶粒。从熔铸、均匀化加热两个工序着手解决这个问题是关键，可以采取“加强电磁搅拌、减小成分偏析；配料时增大原铝锭比例、减小废料量；适当增加Al-Ti-B丝含量；采用特级质量的Al-Ti-B丝在线细化熔体；防止熔体出现过热；采用低液位结晶器铸造；铸造时控制冷却水温≤25℃、适当增大冷却水量及水压；适当提高扁铸锭均匀化加热温度及延长保温时间”等措施。细化晶粒的同时，也使得第二相粒子分布更加均匀，这又使得带材中间退火时更有效的阻碍晶粒长大，得到退火后细小的晶粒，从而避免组织条纹的产生。

4 结论

（1）阳极氧化用3003铝合金冷轧带材表面条纹是一种组织条纹，其产生的根本原因是带材内部存在沿着轧制方向、间断分布的异常粗大晶粒组织。异常粗大的晶粒影响氧化膜的形成和形态。

（2）第二相粒子会起到抑制、阻碍晶粒长大的作用，从而影响阳极氧化膜的形成，间接对组织条纹的产生起到影响和抑制作用。

（3）解决组织条纹的根本在于通过调整熔炼、在线处理、铸造、均匀化加热各工序的工艺要素细化合金晶粒。

[1] 许旋，林国辉，陈子超，罗一帆. 影响铝合金阳极氧化膜质量因素的研究[J]. 电镀与涂饰，2004，24 (2) : 7-10

[2] 温静娴，韦早春，于梅花. 铝合金外壳阳极氧化层缺陷分析[J].广西大学学报：自然科学版，2010，35（3）: 437-440

[3] 周家荣，等. 铝合金熔炼生产技术问答[M]. 北京:冶金工业出版社，2008

[4] 孙光鹏，郝蔚琪. 3003铝合金中第二相在不同工艺条件下的形态及其变化[ J ]. 轻合金加工技术，2003，11（31）: 46-49

（编辑：张为宾）

中国彩涂铝板带行业现状

目前中国彩涂铝板带上下游产业趋向平稳，工艺技术、设备制造基本成熟，整个行业进入微利时代。中国目前在彩涂铝板带应用领域上唯一存在空白的是小汽车车身用彩涂铝合金板带材，即小汽车车身板。小汽车车身用彩涂铝合金板带材中的彩涂线，可以单独建设，也可以与热处理生产线、矫直精整线整合组建一条完整的连续生产线。诺贝丽斯在江苏常州新建的中国第一条ABS连续生产线最快也要在2014年中旬投产。

承钢“电铝热法”技术获金袋鼠世界创新奖提名

河北钢铁集团承钢公司收到国际新锐评价机构——世界创新论坛发来的通知，承钢“电铝热法”生产钒铝合金技术获2013年金袋鼠世界创新奖提名。2013年6月26日，承钢同来自世界各地的世界级创新企业一起，在澳大利亚悉尼角逐2013年金袋鼠世界创新奖。

河北钢铁集团承钢公司创新工艺，用“电铝热法”生产钒铝合金产品，应用在航天航空零部件中，该技术填补了世界空白。金袋鼠世界创新奖是对相关国家在某个领域、项目或个案中，对社会发展进步奉献突破性贡献成果的相关政府、团体、企业、机构或个人进行的评选活动。2012年，我国共有29家机构、企业或个人荣获金袋鼠世界创新奖。

Cause Analysis and Improvement Measures of Microstructure Strips for Anodized 3003 Aluminum Alloy Cold Rolled Strip

CHEN Zuo-qi1, CHEN Xiao-li2, LI Na2, PU Liang2, WANG Ning2, LIU Yu1
(1. Guangxi Liuzhou Yinhai Aluminum Co., Ltd., Liuzhou 545001, China; 2. Chinalco-Henan Aluminum CO., Ltd., Luoyang 471000, China)

Surface streaks caused by 3003 aluminum alloy cold-rolled strip after anodizing was researched experimentally. The results showed that the surface streak defect was a structure stripe. Its root causes were discontinuous distribution, abnormal coarse grain structure along the rolling direction. Coarse grains affected abnormal formation and morphology of the oxide film, the oxide film of the size, shape, number of abnormal macroscopic performance of stripes. In addition, the second-phase particles would restrain, hinder growing of grain, thus affecting the anodic oxide film formed. The basic solutions for removing streaks are refining grain of alloy by aid of adjusting melting, online processing, casting, homogenization process.

3003 aluminum alloy; surface streaks;microstructure stripes; coarse grains; second phase particles; grain refinement

TG335.5，TG178.2

B

1005-4898(2014)01-0017-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.01.04

国家科技支撑计划资助项目(编号：2012BAF09B04)；国际科技合作专项(编号：2011DFR50950)资助项目。

陈祚启（1984-），男，江西吉安人，江西理工大学毕业，金属材料工程专业，工学学士，从事铝板带箔生产工艺研究。

2013-08-19