6063鋁合金陽極氧化型材的色差缺陷淺析

陳慶文，劉小龍，朱世安，2

（1.廣東豪美新材股份有限公司，清遠 511500；2.廣東豪美技術創新研究院有限公司，清遠 511500）

0 前言

隨著國內鋁擠壓產業的發展，中國擠壓機的數量和噸位、表面處理線的種類和能力、產能產量規模均超過其他所有國家的總和，其發展水平和發展質量也在同步提升，中國已成長為全球最大鋁型材生產國。其中，在鋁合金建筑型材領域中，6063鋁合金具有加工性能優異、抗腐蝕性好的顯著特點，又由于其陽極氧化后表面質量效果優良，被廣泛用于建筑門窗及幕墻等[1]。針對氧化車間6063合金邊框結構型材光面古銅色頻繁出現色差質量問題，本文結合氧化生產線現場實踐經驗，對出現色差問題的型材進行分析，查找出6063 鋁合金氧化型材產生色差缺陷的原因，并通過對合金成分微量元素Fe、Mn 調整后的對比試驗以及著色電壓等工藝參數的調整對比試驗，達到了消除氧化型材色差缺陷的目的。

1 色差原因分析

研究表明，陽極氧化膜分為阻擋層和多孔層：阻擋層是致密無孔的非晶態氧化物，而多孔層是由六角形柱狀個體（中部有小圓孔）聚集一起，形成類似蜂窩狀結構（如圖1 所示），每個獨立單元的中心經小圓孔與阻擋層相聯通。型材著色就是由于孔底沉積的金屬粒子對入射光發生散射而顯色的，因此氧化膜孔堆積的沉積物越多，在多重散射下型材氧化膜表面顏色越深[2-3]。6063 合金邊框型材光面古銅色缺陷如圖2所示。

圖1 氧化膜多孔層微觀組織照片

圖2 6063合金邊框型材光面古銅色差缺陷

針對氧化車間出現陽極氧化型材色差問題，其中以6063 合金邊框型材光面古銅色較為嚴重，中柱、上下滑型材比較少。對出現色差的型材進行集中色差部位、型號、排架號、氧化日期、機臺、擠壓時間、鑄棒爐號等信息歸總，排查可能產生色差的工序。其中，色差部位集中在邊框的大面位置，氧化后表面光澤明顯比其他部位差，顏色偏暗和偏黃。通過氧化車間現場監控回放排查，可以確定氧化生產操作符合車間作業指導書要求。深入翻查實際生產工藝記錄發現此型號的著色工藝參數調控不到位，實際設定著色電壓超出工藝要求范圍。其次，翻看該型號的擠壓信息卡，結合擠壓車間內部監控回放，得出此型號的擠壓工藝符合6063 合金的擠壓工藝要求，同時發現機臺作業人員無違規操作；最后，在鋁棒爐號的記錄里，發現此型號爐后成分中的Fe和Mn微量元素超內控標準，其余微量元素成分正常。最終將色差原因鎖定在氧化工序中著色電壓設定不準確以及鋁棒成分中微量元素Fe和Mn控制不當。

2 解決方案

通過對邊框型材光面古銅色色差缺陷的初步分析，結合車間的實際情況，在相同氧化槽和著色槽里以及其它微量元素基本不變的前提下，通過調整微量元素Fe 和Mn 做銀白色和古銅色氧化效果對比，具體如下：

表1 是氧化工序陽極氧化槽和著色槽工藝參數、試驗顏色和膜厚的匯總。表2是鋁棒成分Fe微量元素調整不同成分對應氧化砂面銀白和光面古銅色試驗結果（其中Fe含量0.52%只作為實驗要求而調整不作批量生產）。通過對比分析可知，當Fe元素含量＜0.15%，型材表面光澤較好且著色后色調柔和[3]。然而當將Fe 元素含量提升到高于0.30%時，雖然型材砂面銀白色表面顏色仍然不變，但光面古銅色底色由紅色轉變為青色，且光澤度變暗，呈現出非正常的古銅色；繼續提高Fe 元素含量至0.50%以上，型材砂面銀白表面的砂面均勻但顏色發暗，光面古銅色表面光澤嚴重偏暗，顏色已接近于褐色。

表1 氧化工序槽液等工藝參數、試驗顏色和膜厚

表2 Fe元素含量對陽極氧化型材顏色的影響

表3 是鋁棒成分中Mn 微量元素不同調整成分對應的氧化砂面銀白和光面古銅色試驗結果。當Mn 含量低于0.025%時，由于Mn 可以消除Al5FeSi金屬間化合物的負面影響，型材砂面銀白和光面古銅色均能呈現出很好的表面效果。但隨著Mn 含量提至0.045%或以上，型材氧化后砂面銀白和光面古銅色表面顏色泛黃，偏離正常的色調，光澤度也隨之下降，導致表面偏暗。綜上所述，當鋁棒中Fe元素含量控制在≤0.30%，Mn元素含量控制在≤0.025%時，型材氧化后將會得到較好的砂面銀白色和光面古銅色表面質量。表4 為優化后的6063 合金成分，選用優化后的鋁棒擠出合格胚料在相同陽極氧化條件和著色槽里，通過調整不同著色電壓來檢測對應的顏色ΔΕ值和表面顏色深淺變化，具體如下：

表3 Mn元素含量對陽極氧化型材的顏色影響

表4 試樣的合金成分(質量分數/%)

表5 和表6 分別為著色試驗工藝參數和著色電壓與顏色深淺的變化匯總。在表6 中，ΔΕ越小表示顏色越深，顏色深淺與著色電壓的關系具有一定的規律性。著色電壓在16～18V之間變化時對試樣表面顏色影響很小，16V時著色速度最快，型材表面顏色也最深。當著色電壓達到20V或以上，著色速度迅速降低，這是由于試樣表面經化學反應析出大量氫氣，抑制了金屬離子的還原反應，阻礙了型材著色速度的提升，且伴隨著電壓繼續升高，析氫氣量的增多，著色更困難，導致顏色變淺[4]。在14～19V的著色電壓區間里，著色電壓越高，著色電流和著色速度逐漸上升，型材顏色隨之變深，試樣表面顏色變化順序依次為淺香檳-香檳色-深香檳-咖啡色-古銅色-褐色-黑色。從生產成本和顏色的穩定性來看，最佳的電解著色電壓應該控制在15～16V之間。

表5 試驗采用的電解著色槽液濃度和著色工藝參數

表6 著色電壓與顏色△E深淺的變化

在陽極氧化過程中，游離的鋁離子滲透入氧化膜孔內，當型材電解反應時，氫離子在陰極被還原，膜孔內鋁離子未被還原，與游離的氫氧根離子反應生成氫氧化鋁。此刻氫氧化鋁變成新的電阻性物質，型材局部反應不均衡（因部分氫氧化鋁會自動分解成氧化后水介質和殘留在著色槽里的雜質鋁離子），造成膜孔內部氫氧化鋁的數量不平衡，在電解著色時，使得型材各個部位的著色電流降低幅度不一樣、著色析出金屬量不一致，最終形成型材表面顏色不統一而出現色差[5-6]。在氧化生產現場應綜合采用電極屏蔽法和替代電極法等使電流分布均勻的方法，使型材電解著色出來的表面顏色分布均勻，底色無發暗和偏黃等色差缺陷[7]。型材電解著色時，嚴格控制實際著色電壓等工藝參數，著色后第一道著色水洗槽的浸泡時間不允許超出1 min，pH值控制在2.2～2.3；第二道著色水洗槽的浸泡時間不允許超過5 min[8]，pH 值則要＞3.5。因水洗槽里的游離酸會對型材顏色有褪色的作用，同時減少空中滯留時間，避免影響后續的型材封孔作業[9-10]。

3 結束語

造成陽極氧化型材色差的原因有很多，囊括了熔鑄、擠壓、陽極氧化、電解著色等多個工序，得出以下結論：

（1）在鋁棒鑄造過程中，Fe 元素含量過高的型材氧化后表面會發暗，嚴重時會影響整個表面的光澤度急遽下降使得型材不能正常著色。Mn 元素含量低于0.025%時，利于型材電解著色后表面顏色透亮。此兩類微量元素需在爐前和爐后都必須嚴格把控，產出合金成分合格的優質鋁棒。

（2）從生產成本和顏色的穩定性來看，最佳的電解著色電壓應該控制在15～16V之間。

（3）氧化生產現場將使用對電極屏蔽法和替代電極法等使電流分布均勻的方法，電解著色后顏色整體均勻一致，規避出現底色發暗或偏黃等缺陷。

由于鋁合金陽極氧化型材的色差主要受到型材合金成分、擠壓工序質量控制、陽極氧化工藝、槽液維護與作業人員操作等因素影響，必須通過合理熔鑄、擠壓生產質量把控、優化陽極氧化工藝、槽液參數以及加強作業人員的責任心與穩定性，才能有效地減少色差的發生。