3C用鋁合金陽極氧化外觀件砂眼缺陷的成因分析

鄧松云，蔣長標(biāo)，莫灼強(qiáng)，柳華炎

(廣西南南鋁加工有限公司 廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣西 南寧 530000)

陽極氧化是目前手機(jī)、筆記本、一體機(jī)等諸多3C電子產(chǎn)品鋁合金外觀件最常用的表面處理工藝，陽極氧化后的金屬表面不僅能呈現(xiàn)出一種科技感十足的美觀效果，陽極氧化膜本身還能起到增強(qiáng)鋁合金外殼表面硬度和提高其耐蝕性的保護(hù)作用[1-2]。砂眼，泛指陽極工件表面細(xì)小的坑孔狀缺陷，是陽極工件最常見的表面缺陷之一。因缺陷自身尺寸較小，陽極工件整體加工工序又較為復(fù)雜和冗長，砂眼不良品常常會(huì)因?yàn)椴荒芗皶r(shí)被發(fā)現(xiàn)而一直流轉(zhuǎn)到成品工序段，最終給加工廠商帶來巨大損失。一直以來，不少加工廠都認(rèn)為砂眼主要與原材料質(zhì)量缺陷有關(guān)，認(rèn)為材料表面磕碰傷、粘傷或是渣雜質(zhì)可能是導(dǎo)致陽極工件砂眼不良的主要原因[3]。但是，這幾年筆者在大量的3C電子產(chǎn)品外觀件案例中發(fā)現(xiàn)，隨著各種外觀件產(chǎn)品后加工工藝的日趨繁雜化，實(shí)際上，大量的砂眼不良很大可能是來自于各加工廠的后加工工序過程。

本文通過金相、SEM、EDS等檢測分析手段，結(jié)合各3C電子產(chǎn)品鋁合金外觀件的具體加工工藝特點(diǎn)，分析和探討了幾種近年較為常見和典型的鋁合金陽極外觀件砂眼缺陷的可能成因。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)分析的砂眼缺陷樣品來自于多個(gè)3C電子產(chǎn)品外觀件項(xiàng)目，產(chǎn)品包括手機(jī)、平板電腦、筆記本A件、一體機(jī)面板等(圖1)，這些產(chǎn)品所用的鋁合金包括5xxx、6xxx、7xxx等系列的多個(gè)牌號(hào)合金品種。

圖1 3C產(chǎn)品外觀件砂眼不良品Fig.1 3C product exterior parts with sand-hole defects

試驗(yàn)通過鋸切的方法從各機(jī)殼上取下砂眼缺陷小塊樣片，經(jīng)酒精、超聲波清洗后，采用金相、SEM和EDS測試儀器對樣品缺陷區(qū)域進(jìn)行分析檢測。金相分析設(shè)備為ZEISS Axio Vert. Al倒置式金相顯微鏡；SEM&EDS分析設(shè)備為蔡司EVO18掃描電子顯微鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

在肉眼觀測下，所有分析樣品上砂眼缺陷的表觀特征都非常相似，它們呈點(diǎn)狀無規(guī)律地分布于各機(jī)殼表面上，數(shù)量通常為1～7個(gè)，觸摸下絕大多數(shù)會(huì)有輕微手感。而通過金相和SEM觀測則可發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備分析視場下實(shí)際樣品上的砂眼缺陷存在著幾種迥異的形貌特征，它們形成的原因也明顯各不相同。試驗(yàn)分析樣品上的砂眼缺陷基本可分為以下幾類。

2.1 鋯砂壓入型砂眼

如圖2所示，通過金相顯微鏡觀察，試驗(yàn)在某型手機(jī)外殼的陽極氧化外觀面上發(fā)現(xiàn)了大量圓形輪廓砂眼，這些砂眼的直徑通常為70～150μm，缺陷輪廓較為光滑，內(nèi)部無明顯異物。大量同類機(jī)殼對比后發(fā)現(xiàn)，該型手機(jī)殼同時(shí)在X、Y兩個(gè)工廠進(jìn)行后制工序代工，而僅X廠代工的機(jī)殼表面上存在該類砂眼缺陷。為進(jìn)一步確認(rèn)該類砂眼產(chǎn)生原因，筆者對X廠現(xiàn)場工序進(jìn)行了追溯并發(fā)現(xiàn)，該砂眼實(shí)際上在沖壓工序后、打磨工序前就已出現(xiàn)，只是此時(shí)樣品表面的污濁對缺陷的識(shí)別造成了一定的干擾，導(dǎo)致了生產(chǎn)線上的漏檢。在對沖壓工序后取得的大量砂眼缺陷樣品進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),部分樣品表面的圓形砂眼中發(fā)現(xiàn)了明顯的球型顆粒異物(圖3)。

圖2 陽極機(jī)殼正圓形砂眼金相分析圖Fig.2 Metallographic analysis of circular-type sand hole on anodized shell

圖3 沖壓機(jī)殼表面正圓形砂眼SEM分析圖Fig.3 SEM analysis of circular-type sand hole on stamped shell

經(jīng)EDS分析確認(rèn)(圖4)，該物質(zhì)的主要組成元素包括Zr、Si、O等，元素及元素間的比例特征均與手機(jī)殼后段噴砂工序中的鋯砂基本一致。由此判斷，此類砂眼應(yīng)為X工廠后段工序鋯砂混入前沖壓工序段環(huán)境中，并在沖壓時(shí)壓入鋁材表面所導(dǎo)致。對此，在X廠進(jìn)行了增加收塵和防塵保護(hù)房的驗(yàn)證，結(jié)果表明，提高清潔度后X廠機(jī)殼的此類砂眼不良完全消除。

圖4 A 區(qū)域EDS分析結(jié)果Fig.4 EDS results of A area

2.2 CNC劃傷型砂眼

如圖5所示，陽極工件表面的該類砂眼在金相下呈凹陷坑狀，深淺不一，但都存在明顯的尾部略顯尖銳的軌跡特征。向上游工序追溯發(fā)現(xiàn)，該類砂眼在CNC銑削后就已出現(xiàn)，只是工件在經(jīng)化學(xué)藥劑浸泡和陽極氧化后缺陷會(huì)更為明顯。取銑削工段半成品的砂眼缺陷進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖6所示。該缺陷初始深度較淺，內(nèi)部無異物殘留，缺陷整體呈現(xiàn)非常明顯的沿CNC刀痕方向延展的鑿傷軌跡，由此推測，該砂眼的產(chǎn)生很可能與CNC加工過程有關(guān)。對此，嘗試在代工廠重新設(shè)計(jì)了CNC刀路，并強(qiáng)調(diào)了CNC過程的鋁屑清潔，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化CNC工藝和工況后該類砂眼問題得到了徹底解決。顯然，CNC過程產(chǎn)生的碎屑劃傷鋁材表面應(yīng)該就是該類缺陷產(chǎn)生的直接原因。

圖5 陽極機(jī)殼表面缺陷金相形貌Fig.5 Metallographic analysis of sand hole on anodized shell

圖6 CNC機(jī)殼表面缺陷金相形貌Fig.6 Metallographic analysis of surface defects on CNC shell

2.3 污濁腐蝕型砂眼

如圖7所示，陽極工件表面的該類砂眼在金相下觀察呈不規(guī)則輪廓的聚集、腐蝕型凹陷特征。對清洗過后的樣品進(jìn)行SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)(圖8，C區(qū)域?yàn)榘枷輩^(qū)，)，相比于正常區(qū)域，這些凹陷區(qū)域內(nèi)有明顯的異常Cl元素殘留現(xiàn)象(表1)。排查加工記錄發(fā)現(xiàn)，該批異常品的砂眼缺陷均是突然出現(xiàn)在陽極工序后，且異常品在陽極前有長時(shí)間停放的違規(guī)操作情況，而同時(shí)段正常生產(chǎn)的其他生產(chǎn)線物料均未出現(xiàn)該類砂眼。由此推斷，該類砂眼極有可能與陽極前工件表面化學(xué)藥劑未清洗干凈有關(guān)。大量文獻(xiàn)研究[4-7]表明，Cl離子的存在會(huì)導(dǎo)致鋁合金表面發(fā)生局部腐蝕，從而最終影響到其陽極成膜。

圖8 陽極機(jī)殼表面腐蝕型砂眼SEM形貌和EDS分析結(jié)果Fig.8 SEM analysis and EDS results of corrosion-type sand hole on anodized shell

位置CONSClMgAlSiTotolC17.6220.311.011.812.811.1154.690.55100D13.7219.37---1.7564.101.05100

2.4 覆膜氣泡型砂眼

如圖9所示，此類砂眼通過金相顯微鏡放大后呈不規(guī)則凹陷狀，凹陷內(nèi)部無異物存在，但其內(nèi)部通常能觀察到一定方向性的陡坡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該類砂眼集中出現(xiàn)在帶膜沖壓的工件表面，且問題批次素材均有覆膜表面存在分散性氣泡的情況。試驗(yàn)專門抽取了部分存在明顯覆膜氣泡的原材料進(jìn)行沖壓驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖壓后原材料表面保護(hù)膜的氣泡破裂、塑膠膜發(fā)生堆積，其堆積區(qū)域下的鋁材表面則出現(xiàn)了上述特征的“砂眼”印痕。

圖9 膜壓型砂眼金相形貌Fig.9 Metallographic analysis of film-pressing type sand-hole

3 結(jié)論

綜上所述，多種3C用鋁合金外觀件的后加工制程處理不當(dāng)，也可能導(dǎo)致產(chǎn)品表面產(chǎn)生砂眼缺陷，這些砂眼缺陷的具體成因和典型特征匯總?cè)缦拢?/p>

(1) 氧化鋯砂沖壓壓入型砂眼，主要是在沖壓工序中因鋯砂壓入而產(chǎn)生。陽極氧化工件表面上該類砂眼呈正圓形輪廓特征，內(nèi)部通常無異物，但如獲得沖壓段缺陷樣品，則有一定概率可在砂眼缺陷內(nèi)部觀察到鋯砂存在。

(2) CNC劃傷型砂眼，主要是在CNC工序因鋁屑等異物劃傷鋁材表面而產(chǎn)生。陽極氧化工件或是CNC段工件均能觀察到此類砂眼缺陷，其放大后具有劃痕特征，方向軌跡具有隨機(jī)性，通常在軌跡的一端能觀察到一定的尖銳尾跡。

(3) 污濁腐蝕型砂眼，主要是在陽極氧化及前處理工序中產(chǎn)生。該類砂眼放大后呈不規(guī)則輪廓的聚集、腐蝕型凹陷特征，通過SEM和EDS手段分析，有一定概率可在缺陷中發(fā)現(xiàn)Cl或其他可導(dǎo)致鋁材局部腐蝕的異常元素殘留。

(4) 覆膜氣泡型砂眼，主要是在沖壓工序中因鋁材保護(hù)膜上的氣泡變形和褶皺塑膠膜壓入鋁材表面產(chǎn)生。陽極工件上該類砂眼在放大后呈不規(guī)則輪廓形貌，無明顯異物殘留，具體問題的原因判定需結(jié)合來料覆膜質(zhì)量進(jìn)行推斷。

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