電流密度對陽極氧化處理的7075鋁合金厚板截面色差的影響

高 文，高 崇，劉 成，汪 磊，溫慶紅

（1.中鋁材料應用研究院有限公司，北京102209；2.西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

鋁及鋁合金具有密度低、塑性高、導電好、耐腐蝕以及易回收等特點，經(jīng)過陽極氧化后可廣泛應用于裝飾、腐蝕防護、電絕緣、建筑等領域[1]。按其作用，陽極氧化可分為光亮陽極氧化、裝飾性陽極氧化、防護性陽極氧化等[2]。完成陽極氧化后的鋁或鋁合金可能出現(xiàn)一定的外觀缺陷，造成局部的顏色差異，從而影響合金的正常使用，如氧化泛黃、氧化膜乳白、彩虹、著色不均、色澤灰暗等[3-8]。

7075 合金即Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，具有強度高、加工及焊接性能良好等突出優(yōu)點，被廣泛應用于飛機、建筑、橋梁、車輛及火箭等[9]。國內的研究從20 世紀80年代初開始對這一系列的鋁合金進行了系統(tǒng)的研究，目前已被用于制造各種航空器結構件。在客機座椅用7075 合金厚板生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)在陽極氧化后其截面出現(xiàn)了較為明顯的色差，影響了后期使用。一般影響鋁合金陽極氧化后表面顏色差異的因素包括鋁合金材料自身特性以及陽極氧化膜狀態(tài)等[2]。目前已知的影響因素包括鋁合金材料因素如區(qū)域偏析、第二相分布、織構分布以及陽極氧化膜特性如孔隙率、孔尺寸、生長速度等[10，11]。其中陽極氧化膜狀態(tài)與陽極氧化工藝密切相關，主要包括陽極氧化電解液組成、電流密度、電壓及氧化時間等。

7075 鋁合金厚板截面陽極氧化后出現(xiàn)明顯色差，具體表現(xiàn)為中心區(qū)域亮線。為此，本文分析了7075 合金厚板截面陽極氧化處理后色差產(chǎn)生的原因，在不調整鋁合金材料狀態(tài)的情況下，著重分析了調整陽極氧化電流密度對7075 合金厚板截面陽極氧化膜結構、生長速度、外觀以及色差等的影響，為解決該技術問題提供參考。

1 試驗方案

1.1 材料及陽極氧化膜制備

所用7075 鋁合金化學成分（質量分數(shù)/%）為Si≤0.4，F(xiàn)e≤0.5，Cu=1.2～2.0，Mn≤0.3，Mg=2.1～2.9，Cr0.15～0.25，Zn=5.1～6.1，Ti≤0.2，余 量 為Al。試驗用7075 鋁合金26 mm 厚板的加工工序為：鋁合金鑄錠銑面→鑄錠均熱（470 ℃/20 h）→熱軋（熱軋初始溫度390～430 ℃，熱軋終止溫度360～390 ℃，每道次壓下率20%～25%，經(jīng)共20 道次軋制后板材由400 mm 厚軋至26 mm 厚）→固溶處理（475 ℃保溫80 min后淬水）→預拉伸→時效處理（125 ℃保溫15 h）→探傷→樣品鋸切。試驗所用樣品為厚板截面鋸切樣品，樣品尺寸為26 mm×20 mm×10 mm，其中26 mm 邊長側面為7075合金厚板截面，見圖1。

圖1 7075厚板合金取樣示意圖

陽極氧化采用直流硫酸陽極氧化，電解液采用150 g/L H2SO4溶液，陽極氧化過程中將電解液溫度控制在28～30 ℃范圍內。采用HY3020B型直流穩(wěn)壓電源，電流密度依次控制為1.4、2.8、4.2 A/dm2，氧化時間依次為15 min、7 min、4 min，并記錄反應過程中的穩(wěn)定電壓。

1.2 性能測試及組織觀察

采用Fisher FMP30渦流測厚儀測試樣品表面氧化層厚度，采用SPECTROLAB LAVM11 火花直讀光譜儀測試7075 合金截面的化學元素分布，采用YS3060 高精度分光測色儀測試陽極氧化后7075鋁合金厚板截面不同位置的色空間坐標，包括明度L*以及彩度a*、b*值，共測試5 個位置，具體位置選擇如圖1 所示。色空間坐標Lab 值采用CIE 標準照明體D65 和10°標準色度觀察者計算條件進行計算。光柵直徑大小為8 mm，計算任意兩個位置之間的色差，色差計算公式為各點之間色差最大值用于表示整個樣品的最大色差。

采用SU8010 型冷場發(fā)射電鏡對陽極氧化形貌進行觀察，放大倍數(shù)為20000～200000 倍。采用Image Pro-Plus 軟件對氧化膜微觀形貌圖片進行處理分析，測試氧化膜表面20 個微孔直徑，然后計算其平均值。

2 結果及分析

2.1 電流密度對氧化膜生長的影響

不同電流密度下7075 合金陽極氧化試驗參數(shù)及膜厚數(shù)值如表1所示。隨著電流密度的提高，陽極氧化過程中的電壓值也逐漸增大，但并未與電流密度的增加呈比例關系。陽極氧化膜的生長速度也隨著電流密度的提高而逐漸增大，電流密度變?yōu)? 倍時，氧化膜平均生長速度變?yōu)?.5 倍，電流密度變?yōu)?倍時，氧化膜平均生長速度變?yōu)?.7倍。

表1 不同電流密度下7075合金陽極氧化試驗參數(shù)及膜厚

2.2 電流密度對截面外觀的影響

采用不同電流密度進行陽極氧化后的7075 合金26 mm厚板截面宏觀外觀形貌如圖2所示。電流密度為1.4 A/dm2時，截面中心區(qū)域出現(xiàn)明顯的亮線，而遠離截面中心區(qū)域的邊緣區(qū)域整體呈偏白的顏色。隨著電流密度的提高，截面中心區(qū)域的亮線變得逐漸不明顯，在電流密度為2.8 A/dm2時已經(jīng)基本不可見，而當電流密度為4.2 A/dm2時已無法用肉眼分辨，此時經(jīng)過陽極氧化的截面整體呈現(xiàn)金屬光澤。

圖2 不同電流密度進行陽極氧化的7075鋁合金26 mm厚板截面宏觀形貌

對未進行陽極氧化的樣品邊部至中心區(qū)域的位置（如圖1中標注的①、②、③位置）進行化學元素分析，結果如表2 所示。從表2 結果可知，靠近邊部的①、②位置元素較為接近，位于截面中心的③位置的Zn、Cu、Mg、Fe、Si 等元素的含量均低于①、②位置。由此可見，低電流密度下（1.4 A/dm2）7075 合金表面出現(xiàn)的中間心部區(qū)域亮線與7075 厚板的合金元素分布有關，這種元素的不均勻分布與7075 合金自身的元素組成配比以及制造工藝有關。7075合金含有較高的Zn、Cu、Mg含量，其厚板在軋制、固溶處理過程中各位置冷速不一致，元素的析出速度不同，最終導致了元素沿截面的不均勻分布。

表2 7075合金截面不同位置元素的化學成分（質量分數(shù)/%）

表3 7050鋁合金厚板截面各位置色空間坐標

2.3 電流密度對厚板截面色差的影響

不同電流密度進行陽極氧化的7075 鋁合金26 mm 厚板截面各位置色空間坐標如表3 所示，其中每個樣品測量的5 組數(shù)據(jù)分別對應樣品中①～⑤位置。隨著電流密度的逐漸增大，色空間坐標中明度值L*整體略有下降。各樣品明度值均表現(xiàn)為中心區(qū)域（位置③）偏小，邊緣位置偏大（位置①、⑤）。色空間坐標中彩度值b*隨陽極氧化電流密度的增大而逐漸增大，電流密度為1.4 A/dm2時，明度值b*為3左右，電流密度為4.2 A/dm2時，彩度值b*增大至5左右。色空間坐標中彩度值a*隨電流密度的變化不明顯。

各樣品截面的最大色差（△Emax）、明度差（△lmax）隨陽極氧化電流密度的變化趨勢如圖3 所示。隨著電流密度的提高，整個樣品上的明度變化（以各位置明度差值的最大值表示）逐漸減小，從電流密度為1.4 A/dm2時的最大1.52，減小至4.2 A/dm2時的0.87。整個樣品的最大色差值隨著電流密度的增加逐漸減小，電流密度為1.4 A/dm2時為1.28，電流密度為4.2 A/dm2時為0.70。

圖3 不同電流密度進行陽極氧化的7075截面表面最大色差（△Emax）及明度差（△lmax）

2.4 電流密度對厚板截面微觀形貌的影響

不同電流密度下進行陽極氧化處理后的7075鋁合金26 mm 厚板不同位置的微觀形貌如圖4 所示。在放大20000倍（左側）的照片中，可見各電流密度下處理的陽極氧化膜表面均存在一定數(shù)量的微坑，電流密度對陽極氧化膜中的微坑影響較小。在放大至200000倍（右側）圖片中可見，在電流密度為1.4 A/dm2及2.8 A/dm2時，陽極氧化膜多孔層部分相鄰的孔相連，形成較大坑洞；電流密度為4.2 A/dm2時，陽極氧化膜表面的多孔均較為獨立有序，未出現(xiàn)較大的坑洞，氧化膜成膜質量明顯提高。

對不同電流密度下制備的氧化膜微觀形貌圖片進行處理分析，分別計算邊部和心部的陽極氧化膜多孔層的孔徑尺寸，其結果如表4 所示。由表4 可見電流密度對7075 合金厚板不同位置陽極氧化后孔徑尺寸的影響不大，不同電流密度下截面心部及邊部的孔徑均在18～20 nm這個范圍內波動。

3 結論

（1）7075 合金厚板截面按照常規(guī)陽極氧化工藝處理（電流密度1.4 A/dm2）后中心區(qū)域存在亮線，這與其截面元素不均勻分布有關，厚板截面中心區(qū)域中的Zn、Cu、Mg 等合金元素均低于靠近邊部區(qū)域。

（2）隨著陽極氧化電流密度的增大（1.4～4.2 A/dm2），7075 合金陽極氧化膜平均生長速度逐漸加快，氧化膜平均生長速度由0.67 μm/min 增大至2.50 μm/min，7075 合金厚板截面中心亮線逐漸消失，樣品表面最大色差△E逐漸減小，由1.28降至0.70。

（3）隨著陽極氧化電流密度的增大（1.4～4.2 A/dm2），氧化膜質量提高，坑洞缺陷明顯減少。陽極氧化電流密度對7075 合金陽極氧化膜孔徑尺寸影響不大，各電流密度下陽極氧化膜孔徑尺寸均在18～20 nm之間。