6R01T4鋁合金手機背板材料晶粒顯現(xiàn)方法的研究

于 宏,邵奎星,孫雯鑫

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司龍口南山鋁壓延新材料有限公司,山東 龍口 265700)

機身外殼輕量化是當(dāng)前手機等電子產(chǎn)品應(yīng)用材料的發(fā)展趨勢之一。6×××系鋁合金具有強度高、焊接性好、加工性好、可熱處理強化等特點,因此被廣泛應(yīng)用于車體、船舶、家具、精密零件等[1]。

合金的晶粒度是合金性能的決定性因素之一,晶界上原子排列紊亂,雜質(zhì)富集,晶體缺陷密度大,且晶界兩側(cè)晶粒位向不同,這些因素對位錯滑移產(chǎn)生很大阻礙,使強度和硬度升高。晶粒越細(xì),晶界總面積就大,強度就越高[2]。

晶粒度測定有三種方法,即比較法、平面計算法和截距法[3]。本試驗使用截距法檢測晶粒度。截距法是通過計數(shù)給定長度的測量線段(或網(wǎng)格)與晶粒邊界(晶界)相交數(shù)來測定晶粒度。在進(jìn)行晶粒度分析時,要求再結(jié)晶晶粒能足夠完全在金相樣品的檢測面上顯現(xiàn)出來,以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

我公司在對熱處理狀態(tài)為T4、厚度為12.5 mm的6R01鋁合金手機背板進(jìn)行晶粒度分析時,使用常用的化學(xué)浸蝕劑或陽極化覆膜方法制備的樣品,再結(jié)晶的晶粒顯現(xiàn)不完全,得出的數(shù)據(jù)誤差較大。本試驗采用多種顯微組織浸蝕劑浸蝕、陽極化覆膜法或浸蝕和陽極化覆膜相結(jié)合的方法制備金相樣品,制備后的樣品進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察,選出使樣品呈現(xiàn)的再結(jié)晶晶粒較完全的最佳樣品進(jìn)行檢測,并將此方法用于生產(chǎn)檢驗,以提高晶粒度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 試驗方案

1.1 試驗用料

試驗用材料采用南山鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的6R01鋁合金板材,其熱處理狀態(tài)為T4,厚度為12.5 mm。

1.2 取樣方向

手機背板用6R01T4鋁合金板材在出廠檢測時要求檢測晶粒度的樣品方向為板材的表面和與軋制方向平行的橫截面。前期生產(chǎn)檢測發(fā)現(xiàn),板材的表面晶粒顯現(xiàn)效果較差,因此本試驗樣品的取樣位置為板材的表面。

1.3 試驗步驟

將樣品進(jìn)行鋸切、鑲嵌、研磨和拋光,得到試驗所需的金相樣品。使用多種顯微組織浸蝕劑浸蝕、陽極化覆膜或浸蝕和陽極化覆膜相結(jié)合的方法,進(jìn)行金相樣品制備的對比試驗。

1.4 浸蝕劑種類及配比

化學(xué)浸蝕試劑及配比如表1所示,其中1#和2#為氫氟酸溶液,2#和3#為磷酸溶液,其余為混合酸溶液,陽極化覆膜使用的溶液為氟硼酸溶液(2.5 g/L)[4]。鋁合金顯微組織浸蝕劑常用的化學(xué)試劑有氫氟酸、鹽酸、硝酸和磷酸等,其中氫氟酸對晶界具有較高的溶解能力;鹽酸對金屬氧化物具有較高的溶解作用;硝酸是一種氧化型強酸,主要起光亮潔凈作用;磷酸是中等強度的無機酸,浸蝕能力較弱,磷酸浸蝕劑一般需加熱使用。

表1 化學(xué)浸蝕劑的種類及成分配比

2 試驗觀察及結(jié)果

金相試樣拋光完成后,在金相顯微鏡下觀察,只能觀察到樣品中白色光亮的鋁基體和殘留的第二相,需要通過化學(xué)浸蝕或陽極化覆膜的方法使其晶界顯現(xiàn)。將試驗用樣品鑲嵌和磨拋后,分別用表1中的浸蝕劑浸蝕樣品,浸蝕時間以顯現(xiàn)出較完整的晶界為好。

2.1 化學(xué)浸蝕

合金中的原子排列是有序的,樣品拋光面上各晶粒內(nèi)的原子排列也是有序的,各晶粒的晶體結(jié)構(gòu)雖然相同,但由于各晶粒的位向不同,使得晶粒間的晶界上的原子排列紊亂,并具有較高的自由能。在電解質(zhì)溶液中,因自由能的不同具有不同的電極電位,可形成許多微小的電解池,電位較低的部分作為陽極溶解或沉積凹陷,從而使反應(yīng)物著色。在光學(xué)顯微鏡下觀察,光線在晶界處被折射,不能進(jìn)入物鏡而顯現(xiàn)出黑色。合金中的各晶粒因位向的不同具有不同的自由能,在化學(xué)浸蝕時雖輕微受浸蝕,但各晶粒受到浸蝕的程度也不同,在光學(xué)顯微鏡垂直光照射下呈現(xiàn)明暗不一的顏色,使各晶粒的顏色稍有差異[5]。

2.1.1 氫氟酸溶液

圖1所示的顯微組織為樣品在1#浸蝕劑中浸蝕300 s后的照片。從圖1可以看出,浸蝕后的該樣品組織中殘余的第二相經(jīng)浸蝕后顏色過深,而樣品的晶界顯現(xiàn)并不完全,部分基體上的彌散析出質(zhì)點急劇增加已經(jīng)發(fā)黑,從而掩蓋晶界,難以觀察。

圖1 1#浸蝕劑浸蝕300 s后的顯微組織

圖2所示的顯微組織為樣品在2#浸蝕劑中浸蝕120 s后的照片。從圖2可以看出,提高氫氟酸濃度縮短浸蝕時間后,該樣品組織中殘余的第二相著色效果較好,但部分晶界沒有顯現(xiàn),部分基體上的彌散析出質(zhì)點增加過多,繼續(xù)浸蝕不利于觀察晶界。

圖2 2#浸蝕劑浸蝕120 s后的顯微組織

2.1.2 磷酸溶液

圖3所示的顯微組織為樣品在3#浸蝕劑中浸蝕1 200 s后的照片。從圖3可以看出,樣品經(jīng)過長時間浸蝕后依然無法顯現(xiàn)樣品晶界,樣品中殘余的第二相著色明顯,可以繼續(xù)增加浸蝕時間,但時間過長,不能夠投入到日常檢測中。

圖3 3#浸蝕劑浸蝕1 200 s后的顯微組織

圖4所示的顯微組織為樣品在4號浸蝕劑中浸蝕900 s后的照片,從圖4可以看出,提高磷酸濃度、減少浸蝕時間后,少部分晶界顯現(xiàn)出來,彌散相著色明顯,繼續(xù)增加浸蝕時間樣品的顯微組織發(fā)黑,難以辨識晶界。

圖4 4#浸蝕劑浸蝕900 s后的顯微組織

2.1.3 混合酸溶液

1)氫氟酸+鹽酸+硝酸+水

圖5和圖6為樣品分別在5#和6#浸蝕劑中浸蝕180 s后的顯微組織。從圖可以看出,5#浸蝕劑浸蝕后的樣品中大部分晶界已經(jīng)顯現(xiàn),較6#浸蝕劑浸蝕后的樣品更加完整,殘余的第二相著色較6#浸蝕劑浸蝕后的樣品著色淺,更利于觀察樣品晶界。

圖5 5#浸蝕劑浸蝕180 s后的微組織

圖6 6#浸蝕劑浸蝕180 s后的顯微組織

圖7為樣品在7#浸蝕劑中浸蝕300 s后的顯微組織。從圖7可以看出,浸蝕后樣品中殘余的第二相和彌散相均已著色,晶界幾乎沒有顯現(xiàn),繼續(xù)浸蝕600 s后的顯微組織如圖8所示。從圖8可以看出,樣品已過浸蝕,晶界呈現(xiàn)雙晶界,再結(jié)晶晶粒的晶界基本顯現(xiàn)出來,但由于基體上彌散析出質(zhì)點的數(shù)量急劇增加,使得浸蝕出的晶界顯現(xiàn)不清晰,影響了晶粒度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 7#浸蝕劑浸蝕300 s后的顯微組織

圖8 7#浸蝕劑浸蝕300 s+600 s后的顯微組織

通過圖5、圖6和圖7可以看出,隨著HF酸含量的增加,晶界顯現(xiàn)的數(shù)量也明顯增加。由此可見,HF酸對晶界的浸蝕作用較強。

2)氫氟酸+鹽酸+水

圖9為樣品在8#浸蝕劑中浸蝕480 s后的顯微組織。從圖9可以看出,樣品的基體上均勻分布著彌散析出質(zhì)點,大多數(shù)再結(jié)晶晶粒的晶界已顯現(xiàn)出來,只有少數(shù)晶粒的晶界沒有顯現(xiàn)出來。將樣品再加深浸蝕4 min后,其顯微組織見圖10。樣品已過浸蝕,晶界呈現(xiàn)雙晶界,再結(jié)晶晶粒的晶界基本上顯現(xiàn)出來。晶界顯現(xiàn)效果好于浸蝕時間8 min的樣品,只有極少量晶粒的晶界沒有顯現(xiàn),但由于組織中殘余的第二相著色過深,基體上的彌散析出質(zhì)點的數(shù)量急劇增加,使得浸蝕出的晶界顯現(xiàn)的清晰度降低,影響了晶粒度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 8#浸蝕劑浸蝕480 s后的顯微組織

圖10 8#浸蝕劑浸蝕480 s+240 s后的顯微組織

3)氫氟酸+鹽酸+水(調(diào)節(jié)成分后)

8#浸蝕劑和其他編號的浸蝕劑相比,其浸蝕晶界的效果較好,大多數(shù)晶粒的晶界已顯現(xiàn),但浸蝕時間較長,影響了樣品的制樣效率。

在經(jīng)過以上試驗總結(jié)后可以得出,浸蝕劑中的主要成分氫氟酸對晶界的浸蝕作用較強,因此在8#浸蝕劑基礎(chǔ)上,將氫氟酸與鹽酸和水的比例調(diào)整,經(jīng)過反復(fù)試驗,發(fā)現(xiàn)浸蝕劑的成分配比為HF、HCL、H2O的體積比為1∶1∶11(以下稱9#浸蝕劑)時,僅用210 s浸蝕就可將大多數(shù)晶粒的晶界顯現(xiàn)出來,其晶界的顯現(xiàn)效果等同于8#的浸蝕劑浸蝕8 min的效果。由此可見,用9#浸蝕劑浸蝕的樣品,其浸蝕時間大大縮短,且浸蝕晶界的效果也較好,如圖11所示。

圖11 9#浸蝕劑浸蝕210 s后的顯微組織

由于還有少數(shù)晶粒的晶界沒有顯現(xiàn)出來,將樣品再加深浸蝕180 s(浸蝕時間共6.5 min),其顯微組織見圖12。圖12和圖10的顯微組織相近。晶界基本上顯現(xiàn)出來,但由于組織中殘余的第二相著色過深,基體上彌散析出質(zhì)點的數(shù)量急劇增加,樣品組織發(fā)黑嚴(yán)重,使得浸蝕出的晶界顯現(xiàn)的清晰度降低,影響了晶粒度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 9#浸蝕劑浸蝕210 s+180 s后的顯微組織

2.2 陽極化覆膜

鋁合金是由許多晶粒組成的多晶體,就宏觀金屬整體來說,各個晶粒的晶面取向是任意的、紊亂的,晶粒的各向異性在多晶體的不同方向上彼此抵消,而顯示出多晶體的各向同性。即多晶體在微觀上具有各向異性,宏觀上是各向同性的。具有各向同性的鋁合金樣品,經(jīng)陽極化覆膜后,在樣品的拋光面上生成一層薄膜。這種薄膜是各向異性的,薄膜的組織結(jié)構(gòu)、位向和分布狀態(tài)完全對應(yīng)它底下的鋁合金晶粒的形貌特征。在光學(xué)顯微鏡的偏振光下觀察,由于每個晶粒的反射光偏轉(zhuǎn)的角度都不同,可看到具有不同顏色的晶粒[6]。

對樣品進(jìn)行鑲嵌和磨拋后,直接進(jìn)行陽極化覆膜,陽極化覆膜的參數(shù)如下:電壓28 V,時間210 s,覆膜液為氟硼酸水溶液。在光學(xué)顯微鏡的偏振光下觀察覆膜后的樣品偏光組織如圖13所示,部分區(qū)域再結(jié)晶的晶粒顯現(xiàn)清晰,還有部分區(qū)域(如左圖中的紫色區(qū)域和右圖中的褐色區(qū)域)由于各晶粒的顏色相近,使得這個區(qū)域的晶粒顯現(xiàn)不清晰而難以區(qū)分,因此12.5 mm板材蘋果料表面只經(jīng)陽極化覆膜制備出的樣品,進(jìn)行晶粒度檢測時,分析的難度和誤差較大,很難保證晶粒度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖13 板材樣品的偏光組織

2.3 化學(xué)浸蝕和陽極化覆膜相結(jié)合的方法

化學(xué)浸蝕法和陽極化覆膜法均可顯現(xiàn)鋁合金的晶粒,但都有無法顯現(xiàn)出的晶粒。只有受檢樣品的晶粒顯現(xiàn)較完全,在晶粒度檢測時才能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為彌補浸蝕劑浸蝕后晶粒顯現(xiàn)不完全問題,采用化學(xué)浸蝕與陽極化覆膜結(jié)合的方法,使化學(xué)浸蝕未顯現(xiàn)出的晶粒以不同的顏色顯現(xiàn)出來。5#浸蝕劑的配比為試驗最常用的配比,6#浸蝕劑的配比為腐蝕能力最強的配比,圖14、15分別為經(jīng)過5#浸蝕劑和6#浸蝕劑浸蝕180 s樣品陽極化覆膜后的偏振光照片(電壓28 V,時間210 s)。

圖14 5#浸蝕劑浸蝕180 s樣品經(jīng)陽極化覆膜后的偏振光照片

圖15 6#浸蝕劑浸蝕180 s樣品經(jīng)陽極化覆膜后的偏振光照片

由圖14、15可以觀察到,分別經(jīng)過5#浸蝕劑和6#浸蝕劑浸蝕陽極化覆膜后樣品晶粒顯現(xiàn)仍不完全,部分晶粒間晶界仍不清晰,圖中的畫圈處,用化學(xué)浸蝕法未能浸蝕出的晶粒,經(jīng)陽極化覆膜后,此處的各晶粒以不同的顏色顯現(xiàn)出來。

圖16為樣品經(jīng)9#浸蝕劑浸蝕210 s,再進(jìn)行陽極化覆膜后的偏振光圖片(電壓28 V,時間210 s)。由圖16可見,中心畫圈處用化學(xué)法浸蝕顯現(xiàn)是3個晶粒,覆膜法只顯現(xiàn)2個晶粒。右圖中的右上部畫圈處的藍(lán)色區(qū)域,用化學(xué)法浸蝕后顯現(xiàn)是3個晶粒,覆膜法只顯示為1個晶粒；右圖中的左下角的畫圈處,深褐色區(qū)域用化學(xué)法浸蝕顯現(xiàn)為2個晶粒,覆膜法顯示為1個晶粒,淺褐色區(qū)域用化學(xué)法未能浸蝕出的晶粒,經(jīng)陽極化覆膜后,此處的各晶粒用不同的顏色而顯現(xiàn)出來。

圖16 經(jīng)9#浸蝕劑浸蝕3.5 min后陽極化覆膜的偏光組織

3 結(jié)果分析

通過對陽極化覆膜法制備的樣品效果分析后可知,直接對6R01T4鋁合金手機背板材料使用陽極化覆膜的方法進(jìn)行晶粒度檢測,雖然可以通過不同的顏色顯現(xiàn)出各晶粒,但不能清晰地區(qū)分各晶粒。

通過對不同化學(xué)浸蝕劑浸蝕的樣品效果分析后可知:

1)磷酸對晶界的浸蝕作用較弱,使用磷酸浸蝕劑的效果很差,只有極少數(shù)晶粒的晶界模糊的顯現(xiàn)出來,即使過浸蝕也并不能清晰看見,因此不建議使用磷酸浸蝕劑。

2)氫氟酸浸蝕劑的效果較差,只能顯現(xiàn)出少部分晶界,且晶粒不清晰,因此不建議使用氫氟酸浸蝕劑。

3)氫氟酸+鹽酸+硝酸+水浸蝕劑的浸蝕效果較一般,再結(jié)晶晶粒的晶界顯現(xiàn)不完全,雖然隨著氫氟酸含量的增加,晶界顯現(xiàn)的效果也呈現(xiàn)遞增趨勢,但仍不能滿足晶粒度檢測的要求,因此不建議使用氫氟酸+鹽酸+硝酸+水浸蝕劑。

4)氫氟酸+鹽酸+水浸蝕劑的浸蝕效果較好,分布著少數(shù)彌散析出質(zhì)點,大多數(shù)再結(jié)晶晶粒的晶界已顯現(xiàn)出來,但是消耗的時間較長。為了提高制樣效率,提高氫氟酸的含量占比后,能使大多數(shù)晶粒的晶界顯現(xiàn)出來,且縮短了一半的制樣時間,在幾種浸蝕劑中效果最好,可以考慮使用此種浸蝕劑。

為了確保得到最優(yōu)的樣品制備方案,使用目前已知浸蝕效果最好的9#浸蝕劑對樣品進(jìn)行浸蝕后,再進(jìn)行陽極化覆膜。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過化學(xué)浸蝕后,少數(shù)晶粒未顯現(xiàn)出晶界的區(qū)域中的晶粒以不同的顏色顯現(xiàn)出來,而陽極化覆膜后由于顏色相近難以區(qū)分的晶粒,由于經(jīng)過化學(xué)浸蝕后晶界的顯現(xiàn)也可以進(jìn)行區(qū)分。由此可見,用化學(xué)浸蝕法浸蝕后未顯現(xiàn)晶界的少數(shù)晶粒,可用陽極化覆膜法使各晶粒呈現(xiàn)出的不同顏色來彌補。而陽極化覆膜法中顏色相近無法區(qū)分各晶粒的區(qū)域,也能用化學(xué)浸蝕法浸蝕出的晶界來彌補。兩種方法的結(jié)合,使制備出的樣品檢測面的晶粒能較完全地顯現(xiàn)出來,極大程度地減少了由于制備樣品引入的誤差,提高了12.5 mm厚的6R01T4鋁合金手機背板料的晶粒度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1)6R01T4鋁合金手機背板材料采用HF、HCL、H2O體積比為1∶1∶11的浸蝕劑,浸蝕時間210 s,可使大多數(shù)晶粒的晶界顯現(xiàn)出來。

2)對化學(xué)法浸蝕后的樣品進(jìn)行陽極化覆膜(以氟硼酸水溶液為覆膜液,電壓28 V,時間200 s),通過不同晶粒顏色顯現(xiàn),能夠區(qū)分出化學(xué)法浸蝕后未顯現(xiàn)的晶粒。

3)用化學(xué)浸蝕法和陽極化覆膜法相結(jié)合的方法,能使待測樣品的晶粒顯現(xiàn)較完全,保證了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,可用于生產(chǎn)檢測。