Fe、Mn、Cr元素對6×××系鋁合金氧化膜顏色及性能影響

任浩銘，張 弟，屈樂柱，曹振華，任玉寶

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111000）

0 前言

鋁合金型材憑借其強度高、壽命長等優點，已廣泛應用于建筑、汽車、通訊、電子等行業[1]。以6×××系合金為例，該合金具有良好的陽極氧化性，其氧化膜層具有很好的耐蝕性和耐磨性，對型材具有保護作用，大大延長了鋁型材的使用壽命[2]。但在6×××系合金氧化生產過程中，容易出現如膜厚低、膜厚不均、腐蝕、封孔不合格、表面發灰、色澤差等表面質量問題，嚴重地影響了鋁型材的產品質量及使用性能。這些缺陷的影響因素也有多種，除了氧化工藝造成的缺陷，有些是受鑄錠的合金成分、雜質的種類、含量等其他方面影響造成的[3-5]。本文通過分析6×××系合金氧化后膜層顏色及性能，研究了不同Fe、Mn、Cr元素含量對氧化膜的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

選取Fe、Mn、Cr含量不同的6×××系鋁合金（其他合金元素含量大致相同）作為試驗材料。

1.2 實驗流程

（1）工藝流程。本實驗采用的氧化工藝流程為：脫脂→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→氧化→水洗→封孔→水洗2次→烘干（封孔后增加一道水洗是為了充分洗凈封孔液，避免產生封孔浮灰，影響對氧化后膜顏色的觀察）。

（2）工藝參數。本實驗中采用的工藝流程的具體參數如表1所示。

表1 實驗工藝參數

1.3 性能檢測

試樣經封孔后，在室內放置至少48 h后進行性能檢測。

（1）耐磨試驗。采用taber耐磨測試儀對膜層耐磨性能進行測試。測試條件為：砝碼250 g，磨耗輪型號H-18，轉速60 r/min，磨耗指數Δm按照以下公式計算：

其中，m1為試驗前試樣質量；m2為試驗后試樣質量。

（2）滴堿試驗。在（35±1）℃下，將約10 mg、濃度為100 g/L的氫氧化鈉溶液滴在試樣表面，觀察并記錄滴堿開始到出現腐蝕氣泡的時間。

2 實驗結果

2.1 Fe含量對氧化膜顏色及性能的影響

試樣選取2個其他元素含量差異不大、但Fe元素含量有明顯差異的擠壓板材，其具體成分見表2。對2個試樣進行普通陽極氧化處理。

表2 不同Fe含量試樣的成分（質量分數/%）

2.1.1 Fe含量對氧化膜顏色的影響

如圖1所示，當Fe含量約為0.15%時（試樣1），試樣氧化后，表面的陽極氧化膜為無色透明狀；當Fe含量為0.29%時（試樣2），氧化后試樣表面呈透明的青灰色。這是由于Fe在6×××系合金中以AlFeSi相（主要為α-Fe2SiAl8和β-FeSiAl6兩種形態）的形式存在，與鋁和酸的反應相比，這兩種形態的AlFeSi相與酸的反應速率較快[6]。這兩個中間相或多或少地存在于氧化膜中，影響著膜的顏色，因此試樣呈青灰色。

圖1 不同Fe含量試樣經氧化后顏色對比圖

2.1.2 Fe含量對氧化膜耐蝕性及耐磨性的影響

不同Fe元素含量的試樣經氧化后，其膜層耐蝕、耐磨性能的測試結果如表3所示。由表可知，隨著試樣中Fe元素含量的升高，膜層厚度不斷增加，表明合金中的Fe元素會增加成膜速率，但氧化膜的耐蝕性和耐磨性均呈現下降趨勢。這是由于Fe元素在鋁合金中以雜質相的形式存在，當氧化反應發生時，會有部分雜質相進入膜層，使膜層不均勻，孔隙度增大，從而降低其耐蝕性與耐磨性[7]。

表3 不同Fe含量試樣氧化后的耐蝕、耐磨性能

2.2 Mn含量對氧化膜顏色及性能的影響

Mn屬于重金屬元素，合金中含少量的Mn能使鋁合金中的針狀或片狀含Fe化合物變得少一些并降低其脆性。Mn元素的添加還可以提高鋁合金的強度，但也易和Fe、Al形成A16（MnFe）相，降低氧化膜的透明性[8-9]。試樣選取3個其他元素含量差異不大、但Mn元素含量有明顯差異的擠壓板材，其具體成分見表4。對3個試樣進行普通陽極氧化處理。

表4 不同Mn含量試樣的成分（質量分數/%）

2.2.1 Mn含量對氧化膜顏色的影響

如圖2所示，當Mn含量為0.012%時（試樣3），氧化后，試樣氧化膜的表面為無色透明狀；當Mn含量為0.21%時（試樣4），氧化后試樣表面呈微黃色，但保持著氧化膜原有的透明狀；當Mn含量為0.45%時（試樣5），氧化后試樣表面呈現的黃色較深，不透明。一方面可能是因Mn元素影響了鋁基體的導電作用，造成局部電解液溫度升高，使氧化膜在導電不良的情況下呈黃色；另一方面，在氧化過程中，析出的Mn的第二相經氧化作用生成Mn的氧化物，使膜層變黃[10]。2.2.2 Mn元素含量對氧化膜耐蝕性、耐磨性的影響

圖2 不同Mn含量試樣經氧化后顏色對比圖

不同Mn元素含量的試樣經氧化后，膜層耐蝕、耐磨性能測試結果如表5所示。由表可知，隨著試樣中Mn元素含量的增加，氧化膜的耐蝕性和耐磨性無明顯差異，表明合金中Mn元素對膜層耐蝕性和耐磨性的影響較小。隨著Mn元素含量的增加，對成膜起到一定的促進作用，但Mn元素含量過高，會阻礙膜層的均勻生長，造成膜厚減少。

表5 不同Mn含量試樣氧化后的耐蝕、耐磨性能

2.3 Cr含量對氧化膜顏色及性能的影響

試樣選取Fe、Mn元素含量差異不大、但Cr元素含量有明顯差異的擠壓板材，其具體成分見表6。對這2個試樣進行普通陽極氧化處理。

表6 不同Cr含量試樣的成分（質量分數/%）

2.3.1 Cr含量對氧化膜顏色的影響

如圖3所示，當Cr含量為0.10%時（試樣6），試樣氧化后，陽極氧化膜的表面呈無色透明狀；當Cr含量為0.27%時（試樣7），氧化后試樣表面為淡黃色。這說明隨著基體中Cr元素含量增加，膜層外觀顏色由無色的透明狀逐漸變為淡黃色。

圖3 不同Cr含量試樣氧化后顏色對比圖

2.3.2 Cr含量對氧化膜耐蝕、耐磨性的影響

不同Cr元素含量試樣耐蝕、耐磨測試結果如表7所示。由表可知，隨著Cr含量的升高，試樣氧化膜的耐蝕性和耐磨性降低。

表7 不同Cr含量試樣氧化后的耐蝕、耐磨性能

2.4 Fe、Mn、Cr含量對氧化后耐蝕、耐磨性影響的差異性

表8為Fe、Mn、Cr含量對氧化后耐蝕、耐磨性影響的差異性對比表。由表可知，隨Fe、Cr元素含量升高，比耐蝕性能差和磨耗指數差的變化幾乎相同，這說明Mn元素含量對比耐蝕性能差和磨耗指數差沒有影響，而Fe、Cr元素含量對耐磨性及耐蝕性影響較大。

表8 對耐蝕、耐磨性影響的差異性

3 結論

（1）6×××系合金中，隨著Fe元素含量升高，Fe的AlFeSi相存在于氧化膜中，使氧化膜顏色呈青灰色，且Fe含量越高，呈現出顏色越明顯；同時成膜速率增加，使氧化膜變厚，6×××系合金的耐磨性和耐蝕性降低。

（2）6×××系合金中，Mn元素含量的升高會影響鋁基體的導電作用，造成局部電解液溫度升高，使氧化膜呈黃色，但對耐磨性和耐蝕性影響不大；隨Mn含量的增高及堿蝕時間的增加，析出的Mn的第二相經氧化作用生成Mn的氧化物，使氧化膜顏色由偏黃色向棕黃色發展。

（3）6×××系合金中，隨著Cr元素含量升高，氧化膜顏色呈黃色，且氧化膜的耐蝕性和耐磨性隨著Cr元素含量的升高而降低。