鄧松云，閆 瑋，龐博文，韋克劍，莫灼強(qiáng)

（1.廣西南南鋁加工有限公司，南寧 530031；2.廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530031）

0 前言

隨著信息時(shí)代的來(lái)臨，手機(jī)、平板電腦、智能手表等3C電子產(chǎn)品成為人們生活和工作中不可或缺的一部分。這些消費(fèi)電子產(chǎn)品的外殼、背板、結(jié)構(gòu)件不僅需要具備較高的強(qiáng)度和硬度以保護(hù)核心電子器件，還需要在外觀設(shè)計(jì)、光潔度、色彩等諸多方面滿足消費(fèi)者個(gè)性化需求，促使對(duì)用于生產(chǎn)這類產(chǎn)品的耐腐蝕低鎂Al-Mg合金的需求也不斷增加[1-3]。5×××系鋁合金是不經(jīng)熱處理的非強(qiáng)化型鋁合金，具有中等力學(xué)強(qiáng)度、易于加工成型，以及美觀、質(zhì)輕、安全環(huán)保等特點(diǎn)，特別是其優(yōu)異的耐腐蝕性能，是鋁合金中除純鋁外耐腐蝕性能最好的合金[4-7]。但是大量3C電子產(chǎn)品是陽(yáng)極氧化產(chǎn)品，需要經(jīng)強(qiáng)酸或強(qiáng)堿處理，這對(duì)合金的耐腐蝕性能有著極高的要求[8-9]。部分產(chǎn)品因陽(yáng)極氧化后產(chǎn)生料紋、氧化白點(diǎn)等缺陷而使外觀面受損，影響使用。

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，探討了不同工藝對(duì)Al-Mg合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性能的影響，以及材料陽(yáng)極氧化工藝后氧化白點(diǎn)形成的原因，并確定了陽(yáng)極制品用鋁合金材料的較優(yōu)工藝要點(diǎn)，以期為后續(xù)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料采用的是低鎂Al-Mg合金，材料具體的化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過(guò)采用兩種不同工藝試制，探究了影響材料力學(xué)性能和耐腐蝕性能的工藝參數(shù)。方案1對(duì)應(yīng)的是冷加工率為50%的H3n狀態(tài)材料，方案2為冷加工率為75%的H2n狀態(tài)材料，其工藝流程如圖1所示。

圖1 兩個(gè)方案的工藝流程圖

方案1：鑄錠經(jīng)均熱后，通過(guò)“1+4”熱軋機(jī)組進(jìn)行加熱軋制，得到軋卷厚度為5 mm的熱軋卷材，其熱精軋的終軋溫度為330℃。經(jīng)過(guò)退火溫度為330℃、保溫時(shí)間為6 h的中間退火后，再經(jīng)過(guò)CVC六輥冷軋機(jī)組冷軋至厚度為2.5 mm，最后將經(jīng)冷加工后的板材分別在120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃和260℃溫度下進(jìn)行穩(wěn)定化退火，保溫時(shí)間為4 h。

方案2：鑄錠經(jīng)均熱后，通過(guò)“1+4”熱軋機(jī)組進(jìn)行加熱軋制，得到軋卷厚度為10 mm的熱軋卷材，其熱精軋的終軋溫度為330℃。再經(jīng)過(guò)CVC六輥冷軋機(jī)組冷軋至厚度為2.5 mm，最后將經(jīng)冷加工后的板材分別在200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃和260℃溫度下進(jìn)行不完全退火，保溫時(shí)間為4 h。

對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)、鹽霧腐蝕試驗(yàn)和陽(yáng)極氧化試驗(yàn)。鹽霧腐蝕的腐蝕介質(zhì)：pH值為3.0的乙酸溶液+0.25 g/L無(wú)水氯化銅；腐蝕時(shí)間：放在密閉鹽霧箱內(nèi)24 h，密閉環(huán)境溫度（50±2）℃。陽(yáng)極氧化試驗(yàn)工序：打磨→噴砂→陽(yáng)極，腐蝕溶液：50%NaOH+20%H2SO4+水，陽(yáng)極膜厚為10~15μm。采用美國(guó)iCAP6300 ICP熱電直讀光譜儀檢測(cè)鋁合金中元素的含量，采用德國(guó)Z100材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)鋁合金力學(xué)性能，采用蔡司Axiovert.A1金相顯微鏡觀察組織形貌，采用蔡司EVO18掃描電子顯微鏡觀察鹽霧腐蝕樣品和陽(yáng)極氧化后有氧化白點(diǎn)的樣品形貌并檢測(cè)鋁合金中元素的含量，探究不同工藝狀態(tài)對(duì)材料力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響

按方案1工藝流程生產(chǎn)，成品力學(xué)性能如表2、圖2所示。按方案2工藝流程生產(chǎn)，其力學(xué)性能如表2、圖3所示。對(duì)比圖2、圖3的力學(xué)性能曲線，冷加工率為50%的H3n狀態(tài)材料，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在退火溫度120~180℃之間存在一個(gè)性能穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū)，性能變化并不明顯；而在200℃之后，隨著溫度上升，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，延伸率上升。這是因?yàn)樵诒貢r(shí)間一定時(shí)，低于200℃的穩(wěn)定化處理溫度對(duì)再結(jié)晶沒(méi)有顯著貢獻(xiàn)，析出的第二相彌散作用大于回復(fù)軟化效果，第二相析出情況成為影響材料強(qiáng)度的主要原因。伴隨著溫度的升高，靜態(tài)回復(fù)程度加大，軟化作用起主導(dǎo)作用[10]。冷加工率為75%的H2n狀態(tài)的材料，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率與退火溫度呈線性相關(guān)性，隨著溫度上升，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，延伸率上升；并且力學(xué)性能對(duì)退火溫度變化較為敏感，在實(shí)際生產(chǎn)中較難精準(zhǔn)控制。

表2 不同退火工藝下材料的力學(xué)性能

圖2 H3n不同退火溫度下材料的力學(xué)性能

圖3 H2n不同退火溫度下材料的力學(xué)性能

H3n和H2n狀態(tài)材料的金相組織如圖4和圖5所示。不同工藝狀態(tài)的材料，其不同截面的金相組織也不相同。H3n狀態(tài)材料的L-T面組織均勻，L-S面呈等軸晶狀；H2n狀態(tài)材料的L-T面為不均勻塊狀組織，L-S面為細(xì)長(zhǎng)的纖維狀。這是因?yàn)镠3n狀態(tài)材料是經(jīng)過(guò)了中間退火處理，發(fā)生了完全再結(jié)晶，形成再結(jié)晶組織，再經(jīng)冷加工使得晶粒破碎，形成更細(xì)小均勻的等軸晶組織；而H2n狀態(tài)材料先經(jīng)過(guò)熱軋，然后再直接冷軋加工，組織不斷壓扁，形成細(xì)長(zhǎng)的纖維狀。

圖4 H3n狀態(tài)的金相組織

圖5 H2n狀態(tài)的金相組織

2.2 材料耐腐蝕性能的分析

對(duì)兩種不同工藝狀態(tài)的成品材料進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，發(fā)現(xiàn)方案1的材料陽(yáng)極氧化后出現(xiàn)氧化白點(diǎn)缺陷概率為10%，而方案2的材料陽(yáng)極后無(wú)氧化白點(diǎn)缺陷。造成著色時(shí)陽(yáng)極表面因無(wú)法染色而產(chǎn)生白色點(diǎn)的通常的原因之一是鋁材料表面存在腐蝕孔洞[11]。陽(yáng)極后材料表面白點(diǎn)區(qū)域的金相圖如圖6（a）所示，可以清楚看到材料有一處白亮的異色區(qū)域，此處即為陽(yáng)極后氧化白點(diǎn)，并且氧化白點(diǎn)的陽(yáng)極膜表面有可見(jiàn)裂紋；圖6（b）是缺陷樣品的縱截面（L-S面）金相腐蝕圖，可以發(fā)現(xiàn)裂縫是沿著晶界擴(kuò)展的，說(shuō)明材料發(fā)生了晶間腐蝕，這是產(chǎn)生陽(yáng)極后氧化白點(diǎn)的原因之一。

圖6 陽(yáng)極后氧化白點(diǎn)樣品金相圖

為進(jìn)一步探究，對(duì)缺陷材料進(jìn)行了SEM和EDS分析，結(jié)果如圖7所示。SEM觀察可以發(fā)現(xiàn)，金相的白亮區(qū)域形成一個(gè)凹坑，主要由Al、Mg等基體元素組成，同時(shí)還有少量O、S、C、Ni元素，說(shuō)明凹坑內(nèi)部表面仍有形成陽(yáng)極膜；除凹坑以外的區(qū)域表面附著較為完整的陽(yáng)極氧化膜，Al、O、S等主要元素均勻分布，凹坑四周的附著物中有C、Ni元素聚集。附著物表面孔洞疏松使得封孔劑在此處聚集。對(duì)兩種不同材料進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，對(duì)比其耐腐蝕性能優(yōu)劣。

圖7 氧化白點(diǎn)缺陷EDS面掃圖

圖8 是方案1在不同退火溫度下生產(chǎn)的材料的鹽霧腐蝕對(duì)比圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試樣表面呈淺灰白色，局部有稍鼓起的白色腐蝕點(diǎn)，這說(shuō)明材料發(fā)生了不同程度的點(diǎn)腐蝕，退火溫度高于200℃時(shí)，表面淺灰白色流痕較少，其耐腐蝕程度要好于退火溫度為180℃和140℃。取屈服強(qiáng)度在190~200 MPa之間的兩種工藝方案的材料進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同性能下，按方案2工藝生產(chǎn)的材料白色點(diǎn)腐蝕數(shù)量少于方案1，耐腐蝕性能要優(yōu)于方案1。這也與前文陽(yáng)極氧化測(cè)試出現(xiàn)氧化白點(diǎn)的概率相符，表明材料的耐腐蝕性能越好，陽(yáng)極后出現(xiàn)氧化白點(diǎn)的概率越小。

圖8 H3n狀態(tài)不同退火溫度下的鹽霧腐蝕對(duì)比圖

圖9 H3n與H2n材料的鹽霧腐蝕對(duì)比圖

3 結(jié)論

（1）冷加工率50%的H3n狀態(tài)材料，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在退火溫度120~180℃之間存在一個(gè)平臺(tái)區(qū)，性能變化不明顯。材料組織較均勻，呈等軸晶狀，陽(yáng)極后易出現(xiàn)氧化白點(diǎn)缺陷，并伴隨晶間腐蝕。

（2）冷加工率為75%的H2n狀態(tài)材料，隨著退火溫度的上升，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，延伸率上升，L-T面組織大小不均勻，材料的L-S面為細(xì)長(zhǎng)的纖維狀，有較好的耐腐蝕性能。

（3）在力學(xué)性能一定時(shí)，H2n狀態(tài)的Al-Mg合金材料要比H3n狀態(tài)的材料耐腐蝕性能更好，陽(yáng)極后幾乎無(wú)氧化白點(diǎn)。對(duì)于需要陽(yáng)極氧化的3C產(chǎn)品用Al-Mg合金，宜采用H2n狀態(tài)工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。