6061鋁合金型材陽(yáng)極氧化條斑缺陷分析與控制技術(shù)研究

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(中鋁瑞閩股份有限公司,福建 福州 350015)

6061鋁合金型材因具有中強(qiáng)、耐蝕、氧化性優(yōu)良、截面結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、加工成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),在交通運(yùn)輸、電力電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著用戶產(chǎn)品的升級(jí),高精制品越來(lái)越多,對(duì)基材的品質(zhì)也相應(yīng)提出了更高要求,如精制氧化制品,除了對(duì)粗晶層、第二相尺寸和數(shù)量有要求外,對(duì)制品內(nèi)部冶金質(zhì)量及表面潔凈度也提出了更高要求,按常規(guī)方法生產(chǎn)的制品已無(wú)法滿足客戶需求。近期,某鋁業(yè)公司生產(chǎn)的汽車空調(diào)閥用6061-T6型材,某批次產(chǎn)品用戶陽(yáng)極氧化后在閥體工作面部分區(qū)域出現(xiàn)黑褐色條斑狀缺陷,不合格率占60%以上,影響制品的使用[1,2]。

為分析缺陷成因及機(jī)理,在系統(tǒng)了解6061-T6型材工藝流程、工藝參數(shù)、氧化工藝參數(shù)基礎(chǔ)上,通過(guò)開(kāi)展合格與不合格型材的橫截面組織、表面組織、陽(yáng)極氧化后氧化膜厚度對(duì)比,確認(rèn)了缺陷形成型材的陽(yáng)極氧化改善方案。為類似高精鋁合金擠壓原因及產(chǎn)生階段,并通過(guò)中試線試驗(yàn),對(duì)缺陷制品的質(zhì)量控制提供了參考。

1 基本信息

1.1 用戶反饋的缺陷信息

汽車空調(diào)閥用6061合金生產(chǎn)流程為,鑄錠、均勻化退火、擠壓、T6熱處理、部分工作面銑面、陽(yáng)極氧化。銑面位置和銑面厚度由用戶根據(jù)最終尺寸和裝配面確定。圖1為陽(yáng)極氧化后出現(xiàn)褐色條斑缺陷件的宏觀形貌。圖中可見(jiàn),零部件不同位置上的缺陷程度也不同。(1)零件未經(jīng)機(jī)加銑面直接氧化的位置,部分區(qū)域表面氧化膜暗淡粗糙,顏色呈黑褐色,缺陷呈條斑狀。觀察發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域與型材擠壓面弧度有關(guān),在平面區(qū)域和小弧度區(qū)域處氧化發(fā)黑嚴(yán)重,約占整個(gè)部件周長(zhǎng)的3/4,而大弧度面幾乎沒(méi)有缺陷。(2)輕微銑面(0.01mm～0.05mm)的位置,顏色灰暗,但較光滑。(3)銑面量較大(1mm～2mm)的位置,表面細(xì)膩光潔、氧化膜呈亮白色。

圖1 陽(yáng)極氧化后出現(xiàn)條斑缺陷零件的宏觀形貌Fig.1 Morphology of stripe defect part after anodizing

1.2 零部件生產(chǎn)信息

(1)鑄錠的制備。合格零件與不合格零件分兩批次鑄造,但在成分控制、熔鑄及均勻化工藝、熔體凈化、細(xì)化等方面基本沒(méi)區(qū)別。成分均符合汽車空調(diào)閥精致氧化料的控制范圍,熔煉工藝為700℃～750℃,熔化及保溫6h～7h,雙轉(zhuǎn)子除氣,50ppi過(guò)濾,細(xì)化劑為Al5Ti1B,鑄造在線添加,添加量1.0kg/t～1.5kg/t,鑄造工藝均符合6061合金Φ250mm工藝,均勻化退火560℃/8h～570℃/8h。

(2)型材擠壓。擠壓工藝均符合該制品型材工藝要求。坯料溫度470℃～500℃,擠壓筒440℃～460℃,壓余30mm±5mm,100%噴淋淬火,時(shí)效工藝為165℃×8h。具體執(zhí)行信息不明,無(wú)法獲得擠壓壓余、清筒等信息,兩批次型材擠壓時(shí)間間隔1個(gè)月。

(3)陽(yáng)極氧化。前處理工藝為,堿蝕液NaOH,55℃時(shí)間40s～50s,濃度40g/L～80g/L,HNO3中和。采用該陽(yáng)極氧化工藝同批次生產(chǎn)的其他6xxx系制品符合無(wú)褐色條狀缺陷。因此基本排除陽(yáng)極氧化處理的問(wèn)題。

2 型材檢測(cè)結(jié)果

為分析缺陷形成原因,分別取氧化前后,合格與不合格型材進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)試內(nèi)容及方法如下:(1)氧化前的合格型材與不合格型材。分別采用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)橫斷面晶粒度;采用掃描電鏡(SEM)、測(cè)試第二相尺寸、形貌及種類;采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡檢測(cè)型材表面形貌、第二相(或雜質(zhì))的組成。(2)氧化后不合格型材。采用輝光光譜儀(可檢測(cè)非規(guī)則區(qū)域厚度)和渦流測(cè)厚儀(可檢測(cè)規(guī)則平整區(qū)域)氧化膜厚度;采用掃描電鏡檢測(cè)黑色區(qū)域物質(zhì)組成。

2.1 有無(wú)缺陷零件對(duì)應(yīng)型材的宏觀形貌

取有無(wú)缺陷零件對(duì)應(yīng)的未經(jīng)陽(yáng)極氧化的原始型材,進(jìn)行宏觀形貌對(duì)比。圖2(a) 為陽(yáng)極氧化不合格零件對(duì)應(yīng)的型材,表面暗黃,且外形凸出、弧度較小的區(qū)域表面粗糙、凸凹不平;圖2(b)為氧化合格零件對(duì)應(yīng)的型材,顏色亮白,表面細(xì)膩光滑。

(a)氧化后不合格零件對(duì)應(yīng)的原始型材 (b)氧化后合格零件對(duì)應(yīng)的原始型材圖2 有無(wú)缺陷零件對(duì)應(yīng)的原始型材宏觀形貌對(duì)比Fig.2 Comparison of macro morphology of original profiles corresponding to the parts with or without defects

2.2 合格型材與不合格型材的橫截面組織

(1)晶粒度對(duì)比。圖3為有無(wú)缺陷型材的截面晶粒度及表面粗晶層對(duì)比,兩種型材晶粒度和粗晶層沒(méi)有太大區(qū)別。表面粗晶層厚度上,不合格型材約為300μm～600μm,合格型材粗晶層厚度大概在300μm～700μm。可見(jiàn)晶粒度及表層粗晶層厚度不是導(dǎo)致缺陷的原因。

(a)不合格型材 (b)合格型材圖3 合格型材與不合格型材晶粒尺寸及表面粗晶層對(duì)比Fig.3 Comparison of grain size and surface coarse crystal layer between qualified and unqualified profiles

(2)第二相組織形貌對(duì)比。由圖4可見(jiàn),有無(wú)缺陷型材從邊部到心部,第二相粒子尺寸、面積分?jǐn)?shù)基本相當(dāng),基本無(wú)差異。說(shuō)明缺陷不是由第二相引起。

(a)～(d)有缺陷型材從心部到邊部顯微組織;(e)～(f)無(wú)缺陷型材從邊部到心部顯微組織圖4 有無(wú)缺陷型材從邊部到心部顯微組織對(duì)比Fig.4 Comparison of microstructure of profile with or without defects from edge to heart

2.3 合格型材與不合格型材表面微觀形貌對(duì)比

不合格型材和合格型材的表面微觀形貌如圖5所示。從顯微圖片中可以看出,合格型材和不合格型材的表面均存在長(zhǎng)條針狀擦痕和劃痕,二者間的區(qū)別在于,不合格型材的表面存在大量黑白相間的組織,分析是電極電位差異大的不同物質(zhì),在侵蝕后出現(xiàn)色差。猜測(cè)是型材表面存在雜質(zhì)。

(a)(b)為不合格型材的表面微觀形貌;(c)(d)為合格型材的表面微觀形貌圖5 合格型材與不合格型材表面微觀形貌對(duì)比Fig.5 Comparison of surface microstructure between qualified profiles and unqualified profiles

2.4 氧化后不合格型材組織分析

氧化后不合格型材的顯微組織如圖6所示;其中,(a)為無(wú)問(wèn)題區(qū)域,可見(jiàn)其氧化膜完整;(b)(c)為存在溝槽缺陷的區(qū)域。對(duì)溝槽等位置進(jìn)行EDS能譜分析,位置如圖7所示。分析結(jié)果見(jiàn)表1,測(cè)試位置除了鋁及體外富集氧化物、碳化物顆粒,此外,也有一些含F(xiàn)e、Ti的粒子。

表1 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖6 氧化后不合格型材顯微組織Fig.6 Microstructure of unqualified profile after oxidation

圖7 溝槽位置EDS能譜分析Fig.7 EDS spectrum analysis of trench position

2.5 氧化膜厚度

在氧化后不合格料上,分別選取輕微銑面(約0.05mm)、正常銑面(1mm～2mm)、未銑面的位置,采用輝光(GDOES)測(cè)試氧化膜厚度。取樣位置如圖8所示,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。輕微銑面位置氧化膜厚度7.5μm,氧化膜粗糙、發(fā)暗、有花紋;正常銑面位置氧化膜厚度15μm～21μm,氧化膜細(xì)膩,呈亮白色;未銑面氧化膜厚度凸起位置5.5μm～7.5μm,平直位置12μm～13μm,氧化膜粗糙顏色發(fā)黑。

表2 不合格料樣氧化膜厚度

圖8 氧化后不合格型材氧化膜厚度測(cè)試Fig.8 Thickness test of oxide film of unqualified profile after oxidation

圖9 合格型材和不合格型材氧化后效果圖Fig.9 Qualified profiles and unqualified profiles after oxidation effect

2.6 結(jié)果分析及建議

通過(guò)對(duì)合格型材和不合格型材之間的對(duì)比發(fā)現(xiàn),在宏觀形貌上,不合格型材表面凹凸不平,合格型材表面光滑平整,呈亮白色,且無(wú)可視缺陷;表面顯微形貌上,不合格型材表面有針狀和桿狀擦傷和劃痕,有黑白相間的組織,粗糙度0.6～0.9,而合格型材表面平整,無(wú)異常組織,粗糙度0.2～0.3;在顯微組織上,二者并無(wú)明顯區(qū)別;晶粒度方面,粗晶層的大小以及晶粒度變化趨勢(shì)也都相同。

對(duì)比不合格型材不同區(qū)域發(fā)現(xiàn),不同區(qū)域的組織、第二相、晶粒層厚度、尺寸都基本相當(dāng),說(shuō)明不是鑄錠質(zhì)量帶來(lái)的問(wèn)題。不同區(qū)域的表面形貌不同,不合格區(qū)域表面針狀和桿狀擦傷嚴(yán)重,且有黑白相間的組織,表面粗糙,而合格的區(qū)域表面平整,無(wú)異常組織。

綜上可認(rèn)為,合格與不合格型材組織沒(méi)有明顯差異,同一型材不同區(qū)域的組織也基本相同,但不合格位置顯著特征是表面粗糙、凹凸不平,且腐蝕表面呈黑白相間的結(jié)構(gòu),因此認(rèn)為是擠壓過(guò)程表面有夾雜帶入所致?？赡苁菙D壓末期擠壓紊流階段,擠壓筒內(nèi)死區(qū)殘留物流入金屬表層,包括氧化夾雜、油污、雜質(zhì)相等,這一點(diǎn)EDS分析結(jié)果中缺陷位置C、O、Ti等含量較高也可以佐證[3]。工藝改進(jìn)建議,擠壓工藝方面,可以增加壓余,及時(shí)清理擠壓筒。

3 陽(yáng)極氧化工藝優(yōu)化

為保證不合格型材的使用,開(kāi)展了陽(yáng)極氧化工藝優(yōu)化試驗(yàn),希望通過(guò)陽(yáng)極氧化前處理改善缺陷形貌,提高材料利用率,也為類似缺陷型材的使用提供一些參考。

3.1合格型材及不合格型材的陽(yáng)極氧化驗(yàn)證試驗(yàn)

取未氧化處理過(guò)的型材(合格和不合格各一個(gè)),進(jìn)行中試車間樣機(jī)氧化對(duì)比。氧化后結(jié)果如圖8所示,與用戶氧化結(jié)果一致,即合格型材(圖(a))陽(yáng)極氧化后表面光亮平整,不合格型材(圖(b))氧化表面發(fā)黑,有色差和花斑。說(shuō)明用戶的陽(yáng)極氧化工藝不存在問(wèn)題,氧化發(fā)黑是材料本身的問(wèn)題。

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)

為挽救該批次料樣,首先選擇了將氧化后不合格的料樣進(jìn)行退膜處理(50g/L～60g/LNaOH溶液,溫度為50℃～60℃,浸泡20s),后再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,大部分區(qū)域都恢復(fù)了亮白色,但是邊部局部區(qū)域仍存在黑色和花斑。

圖10 不合格料樣退膜后二次氧化Fig.10 Secondary oxidation after film removal of unqualified material sample

為進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)救方案,將氧化后不合格的料樣進(jìn)行低倍浸泡處理(濃度為20%的NaOH溶液,常溫浸泡20min),后再次進(jìn)行氧化,處理后的料樣如圖11所示,氧化后的型材表面光滑平整,無(wú)色差花斑等缺陷。

圖11 不合格料樣低倍處理后二次氧化Fig.11 Secondary oxidation of unqualified material samples after soaking treatment at low power

3.3 結(jié)果分析與建議

本節(jié)首先對(duì)合格型材以及不合格型材進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理,結(jié)果與用戶氧化的結(jié)果一致,說(shuō)明用戶的陽(yáng)極氧化工藝不存在問(wèn)題,氧化法黑是材料本身的問(wèn)題。對(duì)氧化后不合格料樣進(jìn)行退膜+陽(yáng)極氧化處理后,表面狀態(tài)有所緩解,部分區(qū)域氧化后呈亮白色,但仍有部分區(qū)域不合格。這說(shuō)明該缺陷浮于型材表面。為進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)救工藝,對(duì)不合格樣件進(jìn)行了堿蝕浸泡+陽(yáng)極氧化處理,處理后的型材表面光滑平整。

4 結(jié)論

本文針對(duì)汽車空調(diào)閥用6061合金型材氧化后局部區(qū)域的褐色條斑狀缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)條斑狀缺陷處對(duì)應(yīng)的型材,其表面和橫截面在晶粒度和第二相尺寸及數(shù)量上與正常區(qū)域無(wú)區(qū)別,但在型材表面存在不規(guī)則狀溝槽缺陷,且溝槽處富集碳化物和氧化物。

(1)擠壓末期擠壓紊流階段,擠壓筒內(nèi)死區(qū)殘留臟污流入金屬表層,導(dǎo)致型材表面夾雜,后續(xù)在陽(yáng)極氧化后,產(chǎn)生了黑斑缺陷。建議在擠壓工藝中,增加壓余,并及時(shí)清理擠壓筒。

(2)不合格型材夾雜缺陷可通過(guò)低倍浸泡+陽(yáng)極氧化解決,通過(guò)該方法處理的型材表面光亮整潔,無(wú)色差花斑等缺陷。