鋁合金粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷分析

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌443003）

0 前言

粗晶環(huán)是擠壓制品周邊上形成的環(huán)狀粗大晶粒區(qū)域，是擠壓制品的一種組織缺陷。粗晶環(huán)中的晶粒尺寸可超過原始晶粒尺寸的10～100倍。粗晶環(huán)會引起陽極氧化膜表面產(chǎn)生色差、花斑等外觀缺陷。這些外觀缺陷往往是在加工后才被發(fā)現(xiàn)，給生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)損失。本文對鋁合金粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷進(jìn)行了分析。

1 鋁合金粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷

采用牌號為5052-H112的鋁合金，加工成尺寸為Φ100 mm和Φ160 mm的鋁棒。

圖1為鋁合金粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷。在機(jī)械加工過程中發(fā)現(xiàn)，部分棒材表面出現(xiàn)不同程度的缺陷（花斑狀，部位在端面邊緣處和棒外圓面上）。硬質(zhì)陽極氧化處理后，該缺陷進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀。材質(zhì)成分分布不均勻，導(dǎo)致花斑狀晶粒的產(chǎn)生。各晶粒之間內(nèi)部成分存在差異，導(dǎo)致上色過程中出現(xiàn)花斑及膜厚差異。

圖1 鋁合金粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷

2 原因分析

2.1 鋁合金材料形成粗晶環(huán)的機(jī)制

鋁合金產(chǎn)生粗晶環(huán)主要是由于再結(jié)晶導(dǎo)致的。在不潤滑的擠壓過程中，鋁合金錠坯外表面與擠壓機(jī)的擠壓筒之間強(qiáng)烈摩擦，造成錠坯外層金屬的形變程度比其中心區(qū)域的形變程度高，同時錠坯外層金屬受到較大的剪切形變。錠坯外層的部分晶粒開始吞并周邊的細(xì)小晶粒，然后體積迅速變大，形成如圖1所示的粗晶組織。圖1中出現(xiàn)月牙形粗晶環(huán)主要是由于雙孔或多孔模具擠壓導(dǎo)致的，單根則為圓環(huán)狀粗晶環(huán)。

2.2 鋁合金粗晶環(huán)對陽極氧化膜的影響

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化膜的生長伴隨著兩個化學(xué)過程，即硬質(zhì)陽極氧化膜的底層電化學(xué)生長和表層膜的化學(xué)溶解。硬質(zhì)陽極氧化膜的表層溶解首先發(fā)生在耐腐蝕薄弱的晶界部位，晶界部位的化學(xué)溶解快且量大。同時，粗晶環(huán)部位與細(xì)晶部位的電導(dǎo)率差異，會導(dǎo)致樣件表面的電荷分布不均勻。這兩種原因相互疊加，使得硬質(zhì)陽極氧化膜的厚度及顏色出現(xiàn)較大差異。

工件上粗晶部位晶界少且晶體之間的取向不同，陽極氧化時溶解少、溶解慢、各取向晶粒電荷分布存在差異，生成的陽極氧化膜薄且顏色差異大；而細(xì)晶部位晶體均勻，晶界多、溶解快，生成的陽極氧化膜厚且顏色均勻。正因如此，在同一個工件表面會反映出兩種不同狀態(tài)的外觀。

2.3 外觀缺陷比較

表1為粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷與其他易混淆的膜層外觀缺陷比較。

由表1可知：由于粗晶環(huán)缺陷導(dǎo)致的陽極氧化膜外觀缺陷往往是多種現(xiàn)象綜合，其突出的表現(xiàn)是可明顯觀察到粗晶部位和細(xì)晶部位，相互之間存在顯著差異。鋁合金材料本身導(dǎo)致的問題，無法通過調(diào)節(jié)氧化過程中各項(xiàng)參數(shù)來消除或減輕。一旦查明此問題，應(yīng)立即從源頭著手解決。

表1 粗晶環(huán)造成的陽極氧化膜外觀缺陷與其他易混淆的膜層外觀缺陷比較

2.4 對鋁合金粗晶環(huán)缺陷采取的措施

考慮到粗晶環(huán)對陽極氧化膜的影響是不可消除和避免的，應(yīng)考慮從源頭進(jìn)行規(guī)避。

（1）對待加工原材料，切成小樣，除去其表面的氧化層后，用20%的NaOH水溶液或2.5%HNO3+1.5%HCl+1%HF（體積分?jǐn)?shù)）的混合水溶液侵蝕后，觀察表面和橫截面的晶體狀態(tài)。若有粗晶環(huán)，則對粗晶環(huán)大小進(jìn)行測量，確定粗晶環(huán)位置，便于后續(xù)加工準(zhǔn)確去除粗晶環(huán)。

（2）通過計算加工余量，采用機(jī)械方式直接去除粗晶環(huán)缺陷部分，消除此種影響。

（3）在原材料訂購合同上明確粗晶環(huán)控制要求，其深度不得超過后續(xù)加工余量，確保產(chǎn)品各組織均勻性，尤其精密配合零件需嚴(yán)格控制。

（4）通過返廠，采取冷拔再結(jié)晶等方式將粗大晶粒細(xì)化后再使用。

3 結(jié)語

由鋁合金粗晶環(huán)導(dǎo)致的陽極氧化膜外觀缺陷，往往很難通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)來減輕和消除。一旦發(fā)現(xiàn)此種情況，應(yīng)及時準(zhǔn)確反映給原材料采購部門，將粗晶環(huán)分析結(jié)果傳遞給工藝部門進(jìn)行工藝優(yōu)化，通過機(jī)加工對原材料進(jìn)行部分補(bǔ)救。