5052合金阳极氧化材料线分析与控制

2021-01-13李朝阳杜恒安

铝加工 2020年6期

李朝阳，杜恒安，冯旺，刘钺

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

变形铝合金材料因具有比高强度、密度低、良好的耐蚀性、表面处理性等优点而得到广泛应用[1]。随着人们对铝合金材料多样化的需求，铝合金表面阳极氧化处理技术应运而生，并得到了快速的发展[2]。阳极氧化膜是在铝合金表面形成的一层氧化膜，可着不同的颜色，起到表面耐蚀、美观、耐磨等效果。在实际生产中，阳极氧化膜经常产生一些缺陷导致表面处理失效、失色，如着色有色差、不均匀、有线条等问题。经过大量的学者研究[3-4]和实际验证，这些缺陷大都是由铝合金表面质量差、组织异常引起的。

5052铝合金为Al-Mg系中具有代表性的消费类民用高端产品，具有良好的抗疲劳性能、焊接性能、耐蚀性能和表面处理性能，广泛应用于高表面质量要求的3C 电子类产品，如电脑、平板电脑、手机或数字音频播放器等产品的外壳。因此，研究分析5052 铝合金阳极氧化材料线缺陷，改善其使用性能和成材率已迫在眉睫。本文针对生产中出现的5052 铝合金阳极氧化料线条缺陷，分析了缺陷产生的原因和类型，并提出相应的防范措施。

1 样品材料与方法

试验用5052 合金的实际化学成分为（质量分数/%）： Si≤0.12， Fe0.26， Cu＜0.1， Mn＜0.1，Mg2.5，Cr0.18，余量为Al。将阳极氧化料进行熔铸、热轧、冷轧、冲压成型、酸碱洗、打磨、喷砂及阳极氧化工艺处理。两个不同批次的3C 产品外壳的缺陷来自于阳极氧化处理，其宏观形貌如图1 所示。缺陷样品采用LEICA DVM6A 进行宏观拍照，采用MicroXAM-800 白光干涉仪进行三维立体形貌表征；在Hitachis-3400N 扫描电镜上进行观察，分析微观缺陷形貌组织。样品表征前通过超声波器在酒精中洗去表面污垢，清洗后用吹风机将残留酒精吹干，以便于表征观察分析。

图1 缺陷样品宏观形貌

2 样品结果与分析

2.1 缺陷宏观形貌分析

对图1两个批次的样品进行宏观分析，采用数码拍照和白光干涉技术表征。通过分析可以看出缺陷为一条白色直线，在基材的表面上呈连续分布（如图2（a）、（b）所示）。局部放大可以观察到材料线的宽度大约为100 μm。通过白光干涉分析缺陷图2（a）并得到其三维立体形貌（如图2（c）所示）。可以观察到，材料线呈凸出形貌，高度在3～4 μm左右，与基材明显区分开来。为了揭示材料线缺陷的微观组织形貌，采用SEM进行定量分析。

图2 缺陷数码拍照

2.2 缺陷部位SEM微观组织分析

对图2中两个不同批次的缺陷位置进行扫描电镜能谱分析，可以看到图3（a）、（b）M054批次缺陷为凹凸不平的坑，并伴随有孔洞产生，呈连续聚集分布。对缺陷不同位置进行能谱点扫描，从定量分析结果可知，A、B 点中O、Mg 含量高（见表1），明显呈氧化膜特征；而对正常部位C 点分析发现只有O元素呈高含量分布，推断其由阳极氧化膜本身元素组成。

图3 缺陷部位SEM微观组织图

对图3（c）、（d）M067批次缺陷进行能谱分析发现，缺陷位置D 点形貌呈白色无规则区域分布。能谱分析结果为高含O 量，无Mg 元素产生（见表1）；同时，对正常部位E 点进行能谱分析，其结果也为高含O 量，表层无凹凸不平现象。由此，可以推断D点形貌是因为基材损伤引起，而O含量高是因为阳极氧化膜形成而导致的。

表1 缺陷部位能谱点扫分析结果

2.3 基材SEM微观组织分析

从上述缺陷分析可知，材料线缺陷主要是由于基材损伤和氧化膜引起的。因此，对这两个批次的基材进行取样分析和扫描电镜能谱分析，结果如图4所示。从图4（a）、（b）可知，M067批次基材表面有凹凸不平、呈连续聚集分布的损伤性缺陷。从对该位置进行的能谱点扫描和定量分析（见表2）结果可知，A、B 点含有Al 基体元素，并伴随有O、Mg元素。由此可推断A、B点是由基材本身元素组成。

从图4（c）、（d）可知，M054批次基材缺陷位置C、D点的形貌呈起皮、有凹坑规则形状分布，表2能谱结果为高O、Mg 含量，具有明显的氧化膜特征。这些氧化膜在轧制过程中破裂并形成不连续孔洞。由此，可以推断基材缺陷形貌是因为基材损伤引起，这对后续阳极氧化膜材料线会产生遗传影响。

图4 基材SEM微观组织图

表2 基材能谱点扫分析结果

2.4 材料线产生机理分析

铝合金表面阳极氧化履膜与铝合金材料表面质量及基体组织有关。郭海霞[5]等研究了铝合金表面阳极氧化膜缺陷成因，得知阳极氧化后缺陷与表面加工质量、组织不均匀性、晶粒度有关。阳极氧化工艺为脱脂→碱洗→酸洗→化抛→阳极→染色→封孔→干燥工艺。基材缺陷经过酸碱洗、打磨、喷砂等工序后既不能被清除掉，也无法附着阳极氧化膜，最终只能以缺陷形式呈现出来。钱建才[6]研究了铝合金阳极氧化膜防护性能及失效规律，认为阳极氧化附着力与基材缺陷有关。

研究得知[7]通过阳极氧化得到的氧化膜表面有很高的孔隙率，容易吸附腐蚀杂质，导致其结构和性能受到损害，因此必须进行封孔处理。现有封孔技术有水合封闭、金属盐封闭、溶胶凝胶封闭、有机封闭等。经过研究者的验证，金属盐封闭技术已相对成熟，同时封闭后膜层的耐腐蚀性也较好。其反应方程式如下[8]：

上述公式（1）是快反应，公式（2）是慢反应，反应生成的离子变为Ni（OH）2沉积于孔中。基于金属盐封闭技术，基材上的缺陷无法填充和掩盖，故而呈无规则形状分布。因此，消除基材缺陷是提高阳极氧化膜表面质量的根本。

2.5 材料线缺陷防范措施

综合上述两个批次的缺陷分析，5052 合金阳极氧化材料线由氧化膜和基材损伤两种情况引起。为了控制或解决这两种材料线缺陷，可以从熔铸工艺和轧制过程要素控制着手。

材料线也可出现在其他合金中。李朝阳[9]等研究了1060 合金阳极氧化料亮线产生的机理，并发现材料线是由TiB 聚集引起的，通过优选AlTiB丝、控制细化剂TiB2、TiAl3质点大小可以有效减少TiB 聚集问题。同理，对于氧化膜引起的材料线，可以通过控制熔铸工艺过程中产生氧化膜要素，即通过控制铸造温度范围710～720 ℃、保持熔体铸造液面平稳、下注管高度合适、防止铝液翻滚等措施来实现控制。

有潘祯[10]等对阳极氧化用5052铝合金基材轧制表面质量控制进行了研究分析，得知影响阳极氧化效果的主要表面缺陷有黑条、压过划痕、粘伤、印痕和黑点等。通过清刷辊上的粘铝、提高乳液洁净度、增强乳液润滑能力、稳定热连轧卷取张力、采用矫直喷油、减少矫直辊数量、卷取装置优化、清洁生产等主要措施可以有效控制基材损伤，避免在阳极氧化时出现材料线缺陷。