Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金厚板截面色差原因分析及工藝改進(jìn)

王瑞雪，溫慶紅，羅 陽

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金作為高強(qiáng)度鋁合金的代表，因其較高的強(qiáng)度以及良好的韌性而被廣泛地應(yīng)用于航空、航天及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1-4]。然而，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)使用物品的外觀要求越來越高，不僅要求物品的實(shí)用性而且還要求物品的美觀性[5]。對(duì)于鋁及鋁合金來說，陽極氧化處理是一種非常好的表面處理方式，通過在產(chǎn)品表面形成一層具有一定厚度、強(qiáng)度且美觀的氧化膜，從而獲得具有一定耐蝕性且美觀的材料。

目前相關(guān)學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋁或鋁合金陽極氧化處理后可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的外觀缺陷[6-10]，如黑斑、黑點(diǎn)、局部異色等，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常使用。沈建國[9]等研究了光板光澤度、化拋溫度、化拋時(shí)間、陽極氧化時(shí)間、電解液溫度、氧化膜厚度對(duì)本色氧化后黃藍(lán)色差的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，氧化后黃藍(lán)色差的影響因素較多，且部分因素之間存在一定的相關(guān)性。因此，若要通過調(diào)整軋制工藝參數(shù)來優(yōu)化氧化后黃藍(lán)色差，則需充分考慮各種工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系。李博[11]分析了影響2A12 鋁合金硫酸陽極氧化的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，從零件預(yù)處理質(zhì)量、工藝參數(shù)選擇、槽液日常維護(hù)和Cu2+、Al3+和Cl-等雜質(zhì)的處理及加工過程中零件的裝掛等多方面提出改進(jìn)、優(yōu)化，可使硫酸陽極化膜層出現(xiàn)黑點(diǎn)或黑斑的現(xiàn)象徹底消除。李東東[12]等研究了7075合金零件陽極化后表面產(chǎn)生黑斑缺陷的原因。研究發(fā)現(xiàn)，零件表面產(chǎn)生黑斑缺陷的原因是由于顯微組織中存在較多的未溶質(zhì)點(diǎn)相，其內(nèi)因和外因分別是材料內(nèi)部存在Zn、Cu、Mg 元素偏析和零件本身熱處理不均勻，通過合適的熱處理工藝可以消除零件表面的黑斑缺陷。目前已知的影響鋁或鋁合金陽極氧化后缺陷的因素較多，但是對(duì)厚板截面色差的影響因素的研究相對(duì)較少。因此，本文通過對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金厚板截面色差缺陷進(jìn)行分析，查找缺陷產(chǎn)生的根本原因，并針對(duì)性地提出解決辦法，改善產(chǎn)品最終的陽極氧化效果，獲得合格產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)過程

選用Al-Zn-Mg-Cu合金厚板（板厚40 mm）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其主要生產(chǎn)工藝流程為：鑄錠加熱→軋制→預(yù)拉伸→熱處理→檢測分析。

試驗(yàn)通過使用萊卡金相顯微鏡、HVS-5小負(fù)荷維氏硬度計(jì)、氧化膜測試儀及日立S-3400 掃描電鏡等檢測儀器，分別對(duì)厚板截面的金相組織、硬度、氧化膜厚度及氧化膜形貌等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比分析，查找色差產(chǎn)生的根本原因，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，制定軋制工藝優(yōu)化方案，獲得合格產(chǎn)品。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀組織分析

選取1 塊40 mm 厚成品試樣進(jìn)行陽極氧化實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其截面進(jìn)行宏觀組織觀察，樣品陽極氧化形貌如圖1所示。由圖可知，樣品厚度截面存在明顯的色差現(xiàn)象，其中厚度心部顏色明顯與其他部位不同，且具有一定寬度，寬度約為8 mm。

圖1 樣品厚度截面陽極氧化形貌

2.2 硬度和氧化膜分析

表1 為色差缺陷試樣白色（T/4 厚度）及亮色（T/2厚度）位置硬度及氧化膜測試結(jié)果。由表1可知，色差缺陷試樣，不同顏色位置硬度及氧化膜厚度相差不大。

表1 試樣硬度、氧化膜分析

2.3 掃描電鏡分析

圖2 為色差缺陷試樣白色（T/4 厚度）及亮色（T/2 厚度）位置典型掃描電鏡分析結(jié)果。由圖可知，不同顏色位置，試樣第二相腐蝕程度不同，其中T/4 厚度位置的化合物明顯比T/2 位置的多，這主要與鋁合金DC鑄造產(chǎn)生的偏析有關(guān)。

圖2 樣品典型SEM組織形貌

2.4 顯微組織分析

圖3 為色差缺陷試樣白色（T/4 厚度）及亮色（T/2 厚度）位置明場及偏光組織分析圖。由圖可知：不同顏色位置，試樣化合物尺寸相差不大，但T/4厚度位置化合物數(shù)量較T/2厚度位置多，此種現(xiàn)象與上述掃描電鏡結(jié)果吻合，這與鋁合金DC 鑄造產(chǎn)生的偏析有關(guān)；不同顏色位置試樣的再結(jié)晶程度不同，白色（T/4 厚度）位置再結(jié)晶程度較亮色（T/2厚度）大，且不完全再結(jié)晶組織較多。

圖3 樣品典型顯微組織形貌

圖4 成品試樣厚度截面陽極氧化形貌

2.5 軋制工藝試驗(yàn)研究

通過上述分析可知，Al-Zn-Mg-Cu 厚板截面色差產(chǎn)生的根本原因與截面再結(jié)晶組織分布不均勻有關(guān)。因此，為了獲得厚度截面均勻一致的組織形貌，本文采用兩種不同的軋制工藝優(yōu)化方案，研究不同軋制方式對(duì)產(chǎn)品最終陽極氧化效果的影響。

圖5 為成品試樣厚度截面典型偏光組織形貌。由圖可知，當(dāng)采用方案1進(jìn)行軋制時(shí)，不同顏色位置試樣的再結(jié)晶程度不同，白色（T/4 厚度）位置再結(jié)晶程度較亮色（T/2 厚度）高，且不完全再結(jié)晶組織占比較大；當(dāng)采用方案2進(jìn)行軋制時(shí)，不同厚度位置的再結(jié)晶程度相差不大，且不完全再結(jié)晶組織占比也無明顯差異。

圖5 成品試樣典型偏光組織形貌

圖4 為成品試樣厚度截面陽極氧化形貌。由圖可知，當(dāng)采用方案1進(jìn)行軋制時(shí)，板材厚度截面仍然可見明顯的色差現(xiàn)象，厚度中心顏色較亮，其他厚度位置顏色較白；當(dāng)采用方案2進(jìn)行軋制時(shí)，可見板材厚度截面色澤明亮，顏色相對(duì)均勻，且無明顯肉眼可見的色差帶現(xiàn)象，陽極氧化效果明顯變好。

圖6 為成品試樣厚度截面典型明場組織形貌。由圖可知，兩種不同的軋制工藝條件下，均呈現(xiàn)T/4厚度位置化合物數(shù)量多于T/2 厚度位置的現(xiàn)象。因此，可進(jìn)一步證明鋁合金DC 鑄造過程中產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象，不是導(dǎo)致成品板材厚度截面陽極氧化后出現(xiàn)色差的根本原因。

圖6 成品試樣典型明場組織形貌

3 分析與討論

通過對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 合金厚板截面色差缺陷進(jìn)行分析可知，有色差的試樣厚度截面不同位置的再結(jié)晶程度不同，其中T/4 厚度位置再結(jié)晶程度高于T/2 厚度位置，即T/4 厚度位置再結(jié)晶晶粒數(shù)量明顯多于T/2厚度位置。故Al-Zn-Mg-Cu合金厚板截面產(chǎn)生色差的根本原因與整個(gè)厚度截面再結(jié)晶組織分布不均勻有關(guān)。

因此，為了獲得均勻一致的再結(jié)晶組織形貌，本文開展了不同軋制工藝對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金厚板截面再結(jié)晶組織的影響研究。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用方案1進(jìn)行軋制時(shí)，板材厚度截面組織不均勻，陽極氧化處理后呈明顯的色差現(xiàn)象；當(dāng)采用方案2進(jìn)行軋制時(shí)，整個(gè)厚度截面的再結(jié)晶組織占比及分布情況基本相當(dāng)，故板材整個(gè)厚度截面更容易形成均勻一致的組織形貌。

通過分析可知，當(dāng)采用方案1進(jìn)行軋制時(shí)，板材T/2 厚度位置的變形程度相對(duì)較小，儲(chǔ)存能量較少，在后續(xù)熱處理過程中，T/2 厚度位置更容易發(fā)生回復(fù)，而不是再結(jié)晶，因此，更容易導(dǎo)致整個(gè)截面組織的再結(jié)晶程度不同；當(dāng)采用方案2進(jìn)行軋制時(shí)，板材T/2 厚度位置變形程度相對(duì)較大，儲(chǔ)存能量較多，在后續(xù)熱處理過程中，T/4及T/2厚度位置均發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，且再結(jié)晶程度相差不大，因此，整個(gè)厚度截面組織相對(duì)均勻。

綜上所述，為了使Al-Zn-Mg-Cu 系合金厚度截面獲得均一的組織形貌，可采用精確控制軋制工藝的方式，獲得均勻一致的再結(jié)晶組織形貌，進(jìn)而滿足產(chǎn)品表面質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

（1）Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金厚板截面色差缺陷產(chǎn)生的根本原因與整個(gè)厚度截面再結(jié)晶組織分布不均勻有關(guān)。

（2）解決Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金厚板截面色差缺陷的關(guān)鍵是控制軋制工藝。