鋁合金鉻酸陽極化明暗條紋產(chǎn)生原因及解決措施

姜銀松，付靜，侯濤，邵真貴，王磊(河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司特種工藝研究室，河南 鄭州 451191)

0 引言

鋁合金表面陽極化能提高表面耐腐蝕、抗氧化、耐磨等性能[1-2]，其中鋁合金鉻酸陽極化后氧化膜幾乎沒有孔穴，不封閉也可使用，在同樣厚度情況下它的耐蝕能力要比不封閉的硫酸氧化膜高[3]，在使用中也可以采用線切割和改善陽極氧化工藝來改善質(zhì)量問題[4]，故大量應(yīng)用于航天航空國防工業(yè)中。一般鋁合金鉻酸氧化膜層不透明，顏色由灰白色到深灰色或彩虹色[5-6]，部分表面會(huì)出現(xiàn)蝕坑、間斷條狀、黑斑、掉膜、膜層腐蝕和顏色暗淡等缺陷[7-8]，很少會(huì)有明暗條紋缺陷產(chǎn)生，其他缺陷可以改進(jìn)工藝流程中的工序來避免，但明暗條紋缺陷，至今沒有有效的解決方法。在對(duì)航天器某型號(hào)2A12-T4鋁合金燃油濾殼體表面進(jìn)行鉻酸陽極化后，表面出現(xiàn)明暗條紋，對(duì)缺陷形成進(jìn)行對(duì)比分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用機(jī)械加工的方法，對(duì)鋁合金表面進(jìn)行處理，再次進(jìn)行表面陽極化后，明暗條紋消失，說明該方法可行，能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)條件要求，為同類材料缺陷提供參考依據(jù)。

1 存在問題

某型號(hào)燃油濾殼體材料為2A12-T4鋁合金(如圖1所示)，在殼體加工過程中，表面車去1 mm，內(nèi)孔采用車削加工的方法。在進(jìn)行鉻酸陽極化之后，殼體表面局部出現(xiàn)長度不一的明暗相間的條紋，并發(fā)現(xiàn)在不同方向觀察，明暗區(qū)域可以相互轉(zhuǎn)換。這種缺陷嚴(yán)重影響殼體的外觀質(zhì)量，并且出現(xiàn)的幾率很高，在航空航天產(chǎn)品中，一般這種明暗條紋缺陷被禁止的，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的殼體都按報(bào)廢處理，既浪費(fèi)人力物力，提高了成本，又延長了產(chǎn)品周期，擾亂生產(chǎn)計(jì)劃。

圖1 燃油濾外殼結(jié)構(gòu)示意圖

2 問題分析

2.1 陽極化原理

不論哪種陽極化，其基本的原理都一樣，就是通電，使鋁合金表面生成氧化物Al2O3，這種氧化物性能穩(wěn)定，硬度高，并且是因?yàn)樵阡X合金基體上生長的，能夠和基體金屬很好地結(jié)合，解決了鋁合金易氧化、硬度低的問題。因此，陽極化實(shí)質(zhì)是金屬表面被氧化腐蝕的過程[9-10]。其生產(chǎn)原理如下所示：

陰極一般是鉛板，鋁合金作為陽極，常用的電解質(zhì)有硫酸、鉻酸、草酸、混合酸等。根據(jù)所用電解質(zhì)的不同可以將陽極化分為硫酸陽極化、鉻酸陽極化、草酸陽極化等，也可以根據(jù)生成的氧化膜性質(zhì)分為普通陽極化、硬質(zhì)陽極化、瓷質(zhì)陽極化等。

2.2 晶粒

對(duì)殼體原材料進(jìn)行腐蝕，顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)表層晶粒和內(nèi)部晶粒大小、排列不一，晶粒的晶格結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，鋁原子就是按著面心立方結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層排列，并且不同晶粒之間，雖然都為面心立方結(jié)構(gòu)，但是原子層堆積的方向不盡相同。由于不同方向的原子層反射光線不一致，造成了金屬表面出現(xiàn)了明暗相間區(qū)域，在不同方向進(jìn)行觀察，明暗區(qū)域可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在光源1照射下，晶粒A因?yàn)榉垂鉃槊髁羺^(qū)域，晶粒B不反光為灰暗區(qū)域。同理，在光源2照射下，晶粒A和晶粒B明暗區(qū)域進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。其中金屬在受到大變形，在隨后的熱處理過程中，大變形區(qū)域的晶粒會(huì)異常長大而成為粗晶區(qū)域，而正常變形的區(qū)域會(huì)正常長大為細(xì)晶區(qū)，根據(jù)擠壓方式不同，會(huì)呈現(xiàn)為環(huán)狀或月牙狀，粗晶環(huán)按照擠壓的先后順序，頭部到尾部依次減少，晶粒沿?cái)D壓的方向拉長，呈長條紋狀分布。

經(jīng)過分析得出殼體表面明暗相間的條紋是由于鋁合金擠壓棒材表層粗晶環(huán)造成的。鋁合金棒材經(jīng)擠壓之后，表層出現(xiàn)了粗晶環(huán)，經(jīng)過陽極化之后，因?yàn)楦g作用[11]，鋁合金原有的晶粒表象顯露出來，被拉長的粗晶區(qū)就出現(xiàn)了長度不一的條紋。又因?yàn)榇志^(qū)經(jīng)過了熱處理而重新結(jié)晶，不同晶粒的原子層堆積方向不同，反射光線的效果不同，造成了不同條紋，明暗不同，不同方向觀察，明暗區(qū)域可以相互轉(zhuǎn)換。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)方案如下：

(1)分別截取與燃油濾殼體同批次同爐批號(hào)擠壓棒材(2A12-T4，GB3191—2008)試樣，共4件；

(2)拋光端面，腐蝕，30倍放大鏡下觀察，確認(rèn)粗晶環(huán)厚度；

(3)光平兩端面，拋光外圓，中心打孔，其中2件試樣車去粗晶環(huán)，車去厚度為8 mm；

(4)工藝流程：表面清洗—上掛—脫脂—水洗(2次)—脫氧—水洗(2次)—鉻酸陽極化(主要參數(shù)如表1所示)—水洗(2次)—封閉—烘干—下件；

(5)觀察試驗(yàn)陽極化后外觀，并與燃油濾殼體表處缺陷進(jìn)行對(duì)比。

表1 鉻酸陽極化工藝配方(直流電源)

通過對(duì)經(jīng)過鉻酸陽極化的4件試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：其中兩件未去除粗晶環(huán)的試樣外圓表面全部出現(xiàn)了長短不一，明暗相見的條紋(如圖2所示)，與燃油濾殼體出現(xiàn)的條紋對(duì)比，完全一致。并且從試樣端面觀察，端面外部有粗晶環(huán)的位置為條紋狀，而中心沒有粗晶環(huán)的位置為正常的鉻酸陽極化顏色。另外兩件去除粗晶環(huán)的試樣外圓并沒有出現(xiàn)紋，為正常的鉻酸陽極化顏色(如圖3所示)。這種長短不一、明暗相見的條紋，在能顯示基體原色的陽極化方式中比較明顯，在其他有色陽極化中，由于表處顏色一定程度上掩蓋了這種明暗不一致性，條紋表現(xiàn)不明顯。

圖2 未去除粗晶環(huán)

圖3 去除粗晶環(huán)

燃油濾某型號(hào)殼體及相似產(chǎn)品表面局部出現(xiàn)長度不一的明暗相間的條紋是鋁合金擠壓棒材外圓粗晶環(huán)造成的，為保證產(chǎn)品性能，在零件鉻酸陽極化前需要固溶處理，在固溶處理過程中，組織再次重組，不同晶粒生長方向不同，在鉻酸陽極化處理時(shí)，形成色差，表面出現(xiàn)明暗條紋。

4 結(jié)論

鉻酸陽極化后航天器某型號(hào)燃油濾殼體表面局部出現(xiàn)長度不一的明暗相間的條紋是鋁合金擠壓棒材外圓粗晶環(huán)造成的，材料經(jīng)過熱處理后，組織再次重組，不同晶粒生長方向不同，在鉻酸陽極化處理時(shí)，形成色差，表面出現(xiàn)明暗條紋。擠壓棒材通常外徑越大，粗晶環(huán)越厚，但不會(huì)超過8 mm；順著擠壓方向，粗晶環(huán)厚度會(huì)增加，所以同一根棒材粗晶環(huán)厚度會(huì)不一致。下料時(shí)增大棒料直徑，棒料在進(jìn)行機(jī)加之前，檢查粗晶環(huán)厚度，在不影響產(chǎn)品加工的情況下，去除粗晶環(huán)，能夠有效避免鋁合金鉻酸陽極化表面明暗條紋的產(chǎn)生，保證產(chǎn)品外觀質(zhì)量一致性，結(jié)果滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，該方法為同種材料鉻酸陽極化產(chǎn)生明暗條紋的解決提供參考。