鋁合金粗晶環造成的陽極氧化膜外觀缺陷分析

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌443003）

0 前言

粗晶環是擠壓制品周邊上形成的環狀粗大晶粒區域，是擠壓制品的一種組織缺陷。粗晶環中的晶粒尺寸可超過原始晶粒尺寸的10～100倍。粗晶環會引起陽極氧化膜表面產生色差、花斑等外觀缺陷。這些外觀缺陷往往是在加工后才被發現，給生產帶來經濟損失。本文對鋁合金粗晶環造成的陽極氧化膜外觀缺陷進行了分析。

1 鋁合金粗晶環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為鋁合金粗晶環造成的陽極氧化膜外觀缺陷。在機械加工過程中發現，部分棒材表面出現不同程度的缺陷（花斑狀，部位在端面邊緣處和棒外圓面上）。硬質陽極氧化處理后，該缺陷進一步加劇，嚴重影響產品外觀。材質成分分布不均勻，導致花斑狀晶粒的產生。各晶粒之間內部成分存在差異，導致上色過程中出現花斑及膜厚差異。

圖1 鋁合金粗晶環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的機制

鋁合金產生粗晶環主要是由于再結晶導致的。在不潤滑的擠壓過程中，鋁合金錠坯外表面與擠壓機的擠壓筒之間強烈摩擦，造成錠坯外層金屬的形變程度比其中心區域的形變程度高，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中出現月牙形粗晶環主要是由于雙孔或多孔模具擠壓導致的，單根則為圓環狀粗晶環。

2.2 鋁合金粗晶環對陽極氧化膜的影響

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

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的外觀。

2.3 外觀缺陷比較

表1為粗晶環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：由于粗晶環缺陷導致的陽極氧化膜外觀缺陷往往是多種現象綜合，其突出的表現是可明顯觀察到粗晶部位和細晶部位，相互之間存在顯著差異。鋁合金材料本身導致的問題，無法通過調節氧化過程中各項參數來消除或減輕。一旦查明此問題，應立即從源頭著手解決。

表1 粗晶環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 對鋁合金粗晶環缺陷采取的措施

考慮到粗晶環對陽極氧化膜的影響是不可消除和避免的，應考慮從源頭進行規避。

（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（體積分數）的混合水溶液侵蝕后，觀察表面和橫截面的晶體狀態。若有粗晶環，則對粗晶環大小進行測量，確定粗晶環位置，便于后續加工準確去除粗晶環。

（2）通過計算加工余量，采用機械方式直接去除粗晶環缺陷部分，消除此種影響。

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

（4）通過返廠，采取冷拔再結晶等方式將粗大晶粒細化后再使用。

3 結語

由鋁合金粗晶環導致的陽極氧化膜外觀缺陷，往往很難通過調節各種參數來減輕和消除。一旦發現此種情況，應及時準確反映給原材料采購部門，將粗晶環分析結果傳遞給工藝部門進行工藝優化，通過機加工對原材料進行部分補救。