王向榮

（上海市普陀區(qū)綏德路789號(hào)，上海 200331）

鋁合金材料具有一系列優(yōu)良的物理、化學(xué)、力學(xué)和加工性能，可以滿足從餐廚用具到尖端零件，從建筑裝潢到交通運(yùn)輸，甚至航空航天等各行各業(yè)對(duì)材料的各種使用要求。但鋁合金的硬度、耐磨性、耐蝕性等表面性能不夠理想。表面處理技術(shù)正好彌補(bǔ)了鋁合金的這些弱點(diǎn)，通過(guò)陽(yáng)極氧化或表面涂覆加以改進(jìn)，成為鋁合金擴(kuò)大應(yīng)用范圍和延長(zhǎng)使用壽命不可或缺的手段[1]。

鋁鎂系合金是熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金。鎂含量一般不超過(guò)5.5%，鎂既能提高強(qiáng)度，又不會(huì)使延展性過(guò)分降低，添加少量錳還能令含鎂相均勻沉淀，對(duì)耐蝕性有利。鋁鎂系合金具有強(qiáng)度中等、可塑性好、可焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、軍工、機(jī)械制造等領(lǐng)域。然而，鋁鎂合金在空氣中容易氧化而生成一層疏松的氧化膜，這大大降低了鋁鎂合金的性能。因此，需要對(duì)鋁鎂合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，以提高其硬度和耐蝕性[1-4]。

筆者在采用硫酸陽(yáng)極氧化工藝對(duì)擠壓鑄造5035鋁鎂合金進(jìn)行處理，并在酸性染色溶液中染黑色后發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極氧化膜表面出現(xiàn)大量白點(diǎn)，影響產(chǎn)品的外觀。針對(duì)黑色陽(yáng)極氧化膜表面的白點(diǎn)故障，采用附帶能譜儀的掃描電子顯微鏡分析了5035鋁鎂合金基體及陽(yáng)極氧化膜的元素成分，并采用金相顯微鏡觀察了基體表面形貌及陽(yáng)極氧化膜的表面和截面形貌，結(jié)合基材的擠壓鑄造過(guò)程進(jìn)行分析，得出了產(chǎn)生白點(diǎn)的可能原因，提出了改進(jìn)方向，并就陽(yáng)極氧化工藝方面的改進(jìn)，在后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基材及其加工要求

實(shí)驗(yàn)材料為擠壓鑄造5035鋁鎂合金六面體流體控制閥塊，零件表面經(jīng)過(guò)機(jī)加工，各個(gè)加工面分布著數(shù)量不等的大大小小的相通或不相通的孔道。根據(jù)終端用戶的不同需要，這些外觀面被區(qū)分為不同級(jí)別：A級(jí)，直接外觀面，第一眼能夠被看到的外觀面；B級(jí)，間接外觀面，及可以被組裝的面；C級(jí)，底部或者內(nèi)部，被組裝后不能夠被看見。各級(jí)別的外觀面上，可接受不同尺寸的凹痕，但自然光下距離30 cm觀看時(shí)應(yīng)顏色均勻，無(wú)氧化不良，無(wú)鍍后劃痕，無(wú)色差或斑點(diǎn)(包括本文所討論的白點(diǎn))。

2 陽(yáng)極氧化工藝

工藝流程為：裝掛→脫脂→水洗→二次脫脂→水洗→陽(yáng)極氧化→水洗→染黑色→水洗→封閉→水洗→烘干→下掛→檢驗(yàn)與性能測(cè)試。

脫脂：堿性脫脂劑A 80～100 mL/L，60～65 °C，15～20 min，空氣攪拌。

二次脫脂：堿性脫脂劑B 3%～6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，55～60 °C，5～10 min，空氣攪拌。

陽(yáng)極氧化：硫酸200～230 g/L；添加劑15～20 g/L，18～22 °C，15～25 min，空氣攪拌。

染黑色：染色劑15～20 g/L，pH 5.5～6.0，55～60 °C，15～20 min，空氣攪拌。

封閉：封閉添加劑0.5%～1.0%(體積分?jǐn)?shù))，92～98 °C，15～20 min，空氣攪拌。

3 產(chǎn)生白點(diǎn)故障的原因

3.1 陽(yáng)極氧化膜外觀對(duì)比

由圖1和圖2可看出，正常情況下，陽(yáng)極氧化膜染黑色后顏色均勻一致，無(wú)色差；出現(xiàn)白點(diǎn)后，無(wú)白點(diǎn)處的陽(yáng)極氧化膜顏色均勻一致，無(wú)色差，說(shuō)明基材本身無(wú)明顯成分偏析，應(yīng)從微觀角度進(jìn)行故障分析。

圖1 正常陽(yáng)極氧化膜的外觀Figure 1 Appearance of normal anodization film

圖2 出現(xiàn)白點(diǎn)的陽(yáng)極氧化膜Figure 2 Anodization film with white spots

3.2 基體元素分析

對(duì)出現(xiàn)白點(diǎn)的零件的同批次5035鋁鎂合金基體材料進(jìn)行元素分析，根據(jù)陽(yáng)極氧化后的白點(diǎn)分布，在白點(diǎn)比較集中的區(qū)域和正常區(qū)域分別取點(diǎn)分析，結(jié)果列于表1。對(duì)比分析數(shù)據(jù)可知，在無(wú)白點(diǎn)區(qū)域和出現(xiàn)白點(diǎn)的區(qū)域，基材元素分布差別不大，各個(gè)元素分布均勻，證實(shí)基材本身無(wú)明顯成分偏析。

表1 基體表面各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fractions of different elements at the surface of substrate（單位：%）

3.3 陽(yáng)極氧化膜元素分析

對(duì)出現(xiàn)白點(diǎn)的陽(yáng)極氧化膜進(jìn)行元素分析，在白點(diǎn)比較集中的區(qū)域和正常區(qū)域分別取點(diǎn)分析，結(jié)果見表2。對(duì)比分析數(shù)據(jù)可知，出現(xiàn)白點(diǎn)區(qū)域的氧化膜中C元素和Ni元素含量明顯偏低。也就是說(shuō)，在出現(xiàn)白點(diǎn)的區(qū)域，有機(jī)染色劑含量偏低，染色效果變差，甚至未被染色。

表2 氧化膜表面各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass fractions of different elements at the surface of anodization film（單位：%）

3.4 基體的表面形貌以及陽(yáng)極氧化膜的表面和截面形貌

由圖3可知，基體表面和陽(yáng)極氧化膜表面存在大量微孔。由圖4可知，氧化后微孔直徑達(dá)到20 μm時(shí)，微孔內(nèi)壁已經(jīng)被氧化，但微孔內(nèi)壁氧化膜比基材表面氧化膜薄，基材表面氧化膜厚度為18 μm左右時(shí)，微孔內(nèi)壁氧化膜厚度為13 μm左右。

圖3 基體(a)和陽(yáng)極氧化膜(b)的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of substrate (a) and anodization film (b)

圖4 陽(yáng)極氧化膜的截面形貌Figure 4 Cross-sectional morphology of anodization film

基材上的微孔可能是形成氧化膜微孔的原因，因?yàn)檫@些微孔在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，如果是垂直于陽(yáng)極氧化槽液液面向下，可能形成空氣氣囊，阻止電解液的進(jìn)入，導(dǎo)致微孔內(nèi)無(wú)法被氧化或者陽(yáng)極氧化膜較薄。同理，在染色過(guò)程中，微孔可能會(huì)阻止染色液的進(jìn)入，影響染色效果[5-7]。而陽(yáng)極氧化膜表面形成微孔的部位在距離30 cm處自然光下觀看，呈現(xiàn)的就是白點(diǎn)。

3.5 材料成型過(guò)程的分析

本文所使用的5035鋁鎂合金流體控制閥塊是采用擠壓鑄造的方式進(jìn)行成形后再機(jī)械加工制成的成品。擠壓鑄造又稱液態(tài)模鍛，是對(duì)注入模具中的液態(tài)或者半固態(tài)的金屬或合金施加較高的機(jī)械壓力，使其成形和凝固而獲得制件或毛坯的工藝方法?？s孔是擠壓鑄造成形過(guò)程中最為常見的缺陷之一，其特征是表面呈暗色、不光滑。表現(xiàn)為如圖3a所示的形狀不規(guī)則的孔洞?？s孔產(chǎn)生的原因大致有擠壓力低或者擠壓受阻、澆注溫度過(guò)高、模具不合理等[8-11]。

4 改進(jìn)措施

4.1 對(duì)陽(yáng)極氧化工藝流程的改進(jìn)

(1) 將零件傾斜裝掛，盡可能使每個(gè)面都不與陽(yáng)極氧化槽液液面垂直，避免形成空氣氣囊，并有利于零件表面液體流動(dòng)；

(2) 在二次脫脂工序后增加堿蝕工序(堿蝕劑體積分?jǐn)?shù)5%～8%，55～60 °C，3～6 min，空氣攪拌)，將鎂鋁合金表面較淺的微孔腐蝕掉；

(3) 延長(zhǎng)陽(yáng)極氧化時(shí)間，按照膜厚要求的上公差進(jìn)行控制，以增強(qiáng)陽(yáng)極氧化膜的染色效果；

(4) 在陽(yáng)極氧化工序后增加活化工序(無(wú)機(jī)酸體積分?jǐn)?shù)20%～30%，室溫，1～2 min，空氣攪拌)，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極氧化膜擴(kuò)孔的目的，使膜層更有利于染色；

(5) 染色后立即進(jìn)行封閉，將染色劑封閉在陽(yáng)極氧化膜中，鞏固染色效果。

4.2 對(duì)材料成型過(guò)程的改進(jìn)建議

(1) 改善模具設(shè)計(jì)方案，在材料成形過(guò)程中減少鑄造壓力損失。

(2) 提高擠壓力或擠壓速率，或者實(shí)施局部補(bǔ)壓。

(3) 在澆注系統(tǒng)的填充末端加裝溢流槽，盡可能讓充型前端的鋁液流出鑄件本體[8-11]。

5 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)極氧化膜染黑色后白點(diǎn)的產(chǎn)生與基體的表面狀態(tài)直接相關(guān)。毛坯經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后，擠壓鑄造過(guò)程中形成的縮孔便表現(xiàn)為基體表面微孔。要徹底消除陽(yáng)極氧化染色后的白點(diǎn)故障，應(yīng)從改善基體狀態(tài)入手。

通過(guò)改進(jìn)陽(yáng)極氧化裝掛方式以及增加堿蝕、活化等工序，可以最大限度地減少白點(diǎn)的產(chǎn)生。