Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金厚板截面色差原因分析及工藝改進

王瑞雪，溫慶紅，羅 陽

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

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

目前相關學者也對此進行了研究，發現鋁或鋁合金陽極氧化處理后可能會出現一定程度的外觀缺陷[6-10]，如黑斑、黑點、局部異色等，從而導致產品無法正常使用。沈建國[9]等研究了光板光澤度、化拋溫度、化拋時間、陽極氧化時間、電解液溫度、氧化膜厚度對本色氧化后黃藍色差的影響規律。研究結果表明，氧化后黃藍色差的影響因素較多，且部分因素之間存在一定的相關性。因此，若要通過調整軋制工藝參數來優化氧化后黃藍色差，則需充分考慮各種工藝參數之間的相互關系。李博[11]分析了影響2A12 鋁合金硫酸陽極氧化的主要因素。研究發現，從零件預處理質量、工藝參數選擇、槽液日常維護和Cu2+、Al3+和Cl-等雜質的處理及加工過程中零件的裝掛等多方面提出改進、優化，可使硫酸陽極化膜層出現黑點或黑斑的現象徹底消除。李東東[12]等研究了7075合金零件陽極化后表面產生黑斑缺陷的原因。研究發現，零件表面產生黑斑缺陷的原因是由于顯微組織中存在較多的未溶質點相，其內因和外因分別是材料內部存在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，但是對厚板截面色差的影響因素的研究相對較少。因此，本文通過對Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金厚板截面色差缺陷進行分析，查找缺陷產生的根本原因，并針對性地提出解決辦法，改善產品最終的陽極氧化效果，獲得合格產品。

1 實驗過程

選用Al-Zn-Mg-Cu合金厚板（板厚40 mm）進行實驗，其主要生產工藝流程為：鑄錠加熱→軋制→預拉伸→熱處理→檢測分析。

試驗通過使用萊卡金相顯微鏡、HVS-5小負荷維氏硬度計、氧化膜測試儀及日立S-3400 掃描電鏡等檢測儀器，分別對厚板截面的金相組織、硬度、氧化膜厚度及氧化膜形貌等實驗項目進行對比分析，查找色差產生的根本原因，并根據實驗分析結果，制定軋制工藝優化方案，獲得合格產品。

2 實驗結果與分析

2.1 宏觀組織分析

選取1 塊40 mm 厚成品試樣進行陽極氧化實驗，并對其截面進行宏觀組織觀察，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鑄造產生的偏析有關。

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厚度位置化合物數量較T/2厚度位置多，此種現象與上述掃描電鏡結果吻合，這與鋁合金DC 鑄造產生的偏析有關；不同顏色位置試樣的再結晶程度不同，白色（T/4 厚度）位置再結晶程度較亮色（T/2厚度）大，且不完全再結晶組織較多。

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 軋制工藝試驗研究

通過上述分析可知，Al-Zn-Mg-Cu 厚板截面色差產生的根本原因與截面再結晶組織分布不均勻有關。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化方案，研究不同軋制方式對產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，當采用方案1進行軋制時，不同顏色位置試樣的再結晶程度不同，白色（T/4 厚度）位置再結晶程度較亮色（T/2 厚度）高，且不完全再結晶組織占比較大；當采用方案2進行軋制時，不同厚度位置的再結晶程度相差不大，且不完全再結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，當采用方案1進行軋制時，板材厚度截面仍然可見明顯的色差現象，厚度中心顏色較亮，其他厚度位置顏色較白；當采用方案2進行軋制時，可見板材厚度截面色澤明亮，顏色相對均勻，且無明顯肉眼可見的色差帶現象，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T/4厚度位置化合物數量多于T/2 厚度位置的現象。因此，可進一步證明鋁合金DC 鑄造過程中產生的偏析現象，不是導致成品板材厚度截面陽極氧化后出現色差的根本原因。

圖6 成品試樣典型明場組織形貌

3 分析與討論

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

因此，為了獲得均勻一致的再結晶組織形貌，本文開展了不同軋制工藝對Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金厚板截面再結晶組織的影響研究。發現，當采用方案1進行軋制時，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象；當采用方案2進行軋制時，整個厚度截面的再結晶組織占比及分布情況基本相當，故板材整個厚度截面更容易形成均勻一致的組織形貌。

通過分析可知，當采用方案1進行軋制時，板材T/2 厚度位置的變形程度相對較小，儲存能量較少，在后續熱處理過程中，T/2 厚度位置更容易發生回復，而不是再結晶，因此，更容易導致整個截面組織的再結晶程度不同；當采用方案2進行軋制時，板材T/2 厚度位置變形程度相對較大，儲存能量較多，在后續熱處理過程中，T/4及T/2厚度位置均發生再結晶現象，且再結晶程度相差不大，因此，整個厚度截面組織相對均勻。

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晶組織形貌，進而滿足產品表面質量要求。

4 結論

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

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