楊 鑫，孫有政，王瑩寧，于一兵，王 丹

（山東南山鋁業(yè)有限公司，龍口 264000）

0 前言

7075 鋁合金是一種高強(qiáng)度鋁合金，它由Al、Cu、Mg、Zn及Cr等元素組成。該合金加工性能良好，可以采用銑削、沖壓、拉伸、鍛造、焊接等加工工藝。該合金材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。

陽極氧化是一種電化學(xué)反應(yīng)，它的基本原理是金屬表面的氧化過程。在陽極氧化過程中，金屬表面受到電解質(zhì)的作用，氧化物在金屬表面形成一層薄膜，這層薄膜可以保護(hù)金屬表面不受空氣中的氧化劑的侵蝕[4]。陽極氧化技術(shù)可以有效改善金屬表面的耐腐蝕性和耐磨性，以提高金屬的使用壽命[5]。然而，陽極氧化技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如處理后的金屬表面易出現(xiàn)粗糙、黑線、劃傷、毛刺等缺陷，耐腐蝕性和耐磨性可能不夠等，因此對(duì)鋁合金陽極氧化性能的研究極為重要[5]。有研究表明，6×××系和7×××系鋁合金近表面存在連續(xù)、鏈?zhǔn)椒植嫉牡诙啵ê現(xiàn)e 相、含Si、Mn 夾雜物顆粒），易形成耐腐蝕差異區(qū)，導(dǎo)致第二相周圍的Al優(yōu)先溶解，在基體上出現(xiàn)沿第二相分布的線性凹坑，形成肉眼可見的黑線條紋缺陷[6-8]。鋁合金在后續(xù)加工中產(chǎn)生的劃傷、油污等表面缺陷也會(huì)在陽極氧化過程中產(chǎn)生黑線[7]。通過控制熔鑄過程中Fe元素、硅劑添加量，加強(qiáng)精煉、過濾、除雜手段的控制，保障鋁熔體質(zhì)量和均質(zhì)效果可有效減少黑線出現(xiàn)的概率[9-10]。李飛慶[8]等通過增大鑄錠氧化皮切削厚度，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)增加擠壓過程的死區(qū)，來減少第二相偏聚和擠壓過程中表面受到的擦傷，提高型材的表面質(zhì)量，進(jìn)而提升陽極氧化的表面光潔度。丁小理[11]等發(fā)現(xiàn)陽極氧化過程中擠壓型材表面的凸起毛刺脫落容易產(chǎn)生黑斑，而未脫落的毛刺還容易產(chǎn)生白線缺陷。

本文分析的零件用于飛機(jī)航空座椅，由7075鋁合金擠壓扁排經(jīng)機(jī)加工和表面陽極氧化制成。由于大批零件氧化表面存在黑線，無法正常裝機(jī)使用，造成了非常大的經(jīng)濟(jì)損失。本文通過對(duì)7075鋁合金零件機(jī)加工表面氧化黑線區(qū)域和正常區(qū)域的顯微組織進(jìn)行對(duì)比分析，查明氧化黑線出現(xiàn)的原因，同時(shí)提出減輕氧化黑線問題的工藝改進(jìn)方案。

1 材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用材料為7075 鋁合金扁排型材，其他化學(xué)成分見表1。

表1 7075合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

7075 扁排型材的擠壓生產(chǎn)工藝流程為：半連續(xù)鑄造（?600 mm 圓錠）→均勻化→車皮→感應(yīng)加熱→擠壓（400 ℃）→固溶淬火→預(yù)拉伸→T6時(shí)效。扁排機(jī)加工成的零件陽極氧化工藝過程包括：機(jī)械打磨→酸洗→堿洗→水洗→陽極氧化→水洗→封閉。陽極氧化完成后，發(fā)現(xiàn)零件的兩個(gè)位置分別有一條顏色較淺的連續(xù)黑線。黑線與零件及擠壓扁排的位置關(guān)系如圖1所示。經(jīng)過氧化后，樣件1、2號(hào)位置的中間有一條顏色較淺的連續(xù)黑線（法向（ND）、橫向（TD）、擠壓方向（ED））。該黑線沿ED 呈條狀分布，約占樣品寬度1/6，且1 號(hào)區(qū)域較2號(hào)區(qū)域黑線更加明顯。

圖1 扁排型材表面黑線位置

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

使用Bruker Q8 MAGELLAN 直讀光譜儀分析擠壓型材的化學(xué)成分如表1 所示。利用蔡司Axio Imager M2m 光學(xué)顯微鏡（OM）和FEI NNS450 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察陽極氧化后黑線區(qū)域與無黑線區(qū)域橫、縱截面的顯微組織與陽極氧化形貌，并使用EDAX Pegasus 能譜儀（EDS）對(duì)黑線附近第二相的成分進(jìn)行分析。金相樣品制備時(shí)采用的腐蝕液為高濃度混合酸，其配比為：氫氟酸、鹽酸、硝酸和水的體積分?jǐn)?shù)比例為2∶1∶1∶6。

2 表面黑線組織分析

2.1 氧化黑線現(xiàn)象

機(jī)加工后的7075 鋁合金擠壓型材經(jīng)陽極氧化后表面黑線的OM 形貌如圖2 所示。相對(duì)于正常區(qū)域，1 號(hào)黑線位置和2 號(hào)黑線位置都存在更多數(shù)量的不明黑斑，OM 景深過小無法對(duì)黑斑內(nèi)部有效對(duì)焦，黑斑處于過焦?fàn)顟B(tài)，表明黑斑是樣品表面凹坑。1 號(hào)黑線位置比2 號(hào)黑線位置的黑斑尺寸更大、數(shù)量更多，沿ED 方向分布的趨勢(shì)更明顯。

圖2 扁排陽極氧化后表面金相形貌

利用SEM 分析7075 鋁合金扁排經(jīng)陽極氧化后表面，形貌如圖3 所示。圖3（a）表明，從黑線到未出現(xiàn)黑線區(qū)域氧化膜逐漸覆蓋均勻。圖3（b）為陽極氧化后黑線與未出現(xiàn)黑線區(qū)域形貌對(duì)比。1 號(hào)黑線區(qū)域的氧化膜表面存在沿ED 呈條狀分布的孔洞，且1 號(hào)黑線區(qū)域孔洞含量比2 號(hào)多，被氧化膜覆蓋的區(qū)域也存在明顯的凹凸不平，因此1 號(hào)位置的黑線較2 號(hào)區(qū)域明顯。2 號(hào)區(qū)域氧化膜則相對(duì)平坦，且黑線區(qū)域氧化膜上存在體積較小的圓形孔洞，其深度較淺，與ED 無明顯相關(guān)。氧化膜表面的孔洞越多，表面對(duì)光的鏡面反射作用越弱，與周圍區(qū)域的亮度差別就越大，從而造成人眼所見的物體表面呈現(xiàn)亮、暗差異。表2 為1、2 號(hào)區(qū)域陽極氧化孔洞占比情況。根據(jù)表2 所示的表面空洞占比情況可知，1 號(hào)區(qū)域氧化膜表面的孔洞數(shù)量最多，因此1 號(hào)比2 號(hào)區(qū)域黑線更加明顯。凹坑的大小、深淺及數(shù)量決定該物體表面對(duì)自然光的漫反射程度，也決定了該表面的亮、暗。

圖3 扁排陽極氧化后表面SEM形貌

表2 EDS成分測(cè)量結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 1、2號(hào)區(qū)域陽極氧化孔洞占比/%

2.2 晶粒組織分析

型材1、2 號(hào)位置陽極氧化表面經(jīng)過打磨拋光后未腐蝕的第二相OM形貌如圖4所示。1號(hào)黑線區(qū)域第二相粒子沿ED 破碎分布，且有氧化黑線位置比無氧化黑線位置第二相含量明顯增多。擠壓型材內(nèi)粗大第二相主要來自鑄造組織，當(dāng)合金元素（Zn、Mg、Cu 等）和雜質(zhì)元素（Fe 和Si 等）超過其在鋁中的極限固溶度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致粗大的第二相顆粒析出。在擠壓過程中這些粗大第二相遺傳到擠壓型材，導(dǎo)致型材局部產(chǎn)生粗大第二相。

圖4 扁排陽極氧化表面磨拋后第二相分布

黑線位置與無黑線位置的橫截面顯微組織形貌如圖5 所示。如圖5（a）所示，1 號(hào)黑線區(qū)域的橫截面晶粒沿TD 方向拉長呈現(xiàn)明顯的纖維狀組織。黑線表面存在明顯的腐蝕坑，深度為58.24 μm，且沿著晶粒變形方向腐蝕，具有明顯的方向性，在腐蝕坑下方還有第二相分布。由于扁排型材與原始鑄錠尺寸差異較大，鑄錠擠壓時(shí)變形不均勻，ND 方向變形量大于TD方向，因此ND方向受到的壓應(yīng)力大于TD方向，中心區(qū)域原始的粗大晶粒沿ND方向被壓扁，因此1 號(hào)區(qū)域的橫截面會(huì)形成沿TD 方向拉長的纖維組織。2號(hào)黑線區(qū)域的橫截面晶粒組織細(xì)小呈等軸狀，黑線表面存在較小的腐蝕坑，深度為10.98 μm，腐蝕坑的長寬比大約為1，無明顯的方向性。2號(hào)區(qū)域位于扁排型材的表面，擠壓過程中金屬受到擠壓筒和模具的摩擦力作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切變形，使粗大的晶粒破碎成細(xì)小的等軸晶。

圖5 扁排橫截面金相組織

利用SEM 分析圖5 橫截面，形貌如圖6 所示，EDS測(cè)量結(jié)果如表2所示。在腐蝕坑附近可以觀察到第二相粒子，且腐蝕坑越深，第二相粒子越大。測(cè)量這些第二相成分，發(fā)現(xiàn)主要為W-Al7Cu2Fe、Al23CuFe4相等，還有少量的T-AlZnMgCu 相。這些第二相呈陰極，附近的Al 呈陽極。在氧化過程中，這些第二相附近的Al 被腐蝕產(chǎn)生凹坑，同時(shí)第二相也可能因腐蝕而脫落，因此表面氧化膜上會(huì)形成大小、深淺不一的凹坑。

圖6 扁排橫截面SEM組織

結(jié)果表明，7075 鋁合金機(jī)加工表面陽極氧化黑線的直接成因是7075 機(jī)加工表面在陽極氧化后形成深淺、大小不均勻的凹坑。表面凹坑對(duì)自然光發(fā)生不同程度的漫反射，于人眼形成亮、暗區(qū)別，凹坑尺寸較大、較密集的區(qū)域在肉眼觀察下呈現(xiàn)出黑線缺陷。形成此類氧化黑線的根本原因是材料的不均勻性，這種組織的不均勻性包括第二相粒子尺寸、大小和分布及晶粒尺寸的不均等。材料局部的第二相粒子尺寸大、數(shù)量多，機(jī)加工表面在陽極氧化過程會(huì)產(chǎn)生更多、更大的凹坑，就會(huì)容易產(chǎn)生黑線特征。材料表面的顯微組織晶粒細(xì)小、呈等軸狀，在陽極氧化過程中形成的凹坑尺寸較小，即使局部凹坑較多，形成的黑線缺陷也不明顯。

3 氧化黑線影響因素及控制措施

1、2號(hào)區(qū)域的晶粒尺寸和組織狀態(tài)不同是產(chǎn)生黑線顏色深淺不同的主要原因。晶粒尺寸不同主要是金屬流動(dòng)的不均勻所致。擠壓過程中型材芯部的金屬流動(dòng)速度較快，導(dǎo)致晶粒粗大；由于邊部金屬變形困難，流動(dòng)速度較慢，導(dǎo)致晶粒尺寸較小?？赏ㄟ^適當(dāng)升高擠壓溫度、降低擠壓速度、采用反擠壓工藝、增大金屬與模具的潤滑等方法降低金屬流動(dòng)的不均勻，從而減小晶粒尺寸差異。扁排型材在TD、ND方向的變形量不同是1號(hào)區(qū)域橫截面產(chǎn)生織構(gòu)的主要原因。本研究的飛機(jī)航空座椅是由扁排型材機(jī)加工生產(chǎn)的，可以將扁排型材更換成方形型材，從而減小TD、ND方向變形的不均勻，使橫截面晶粒無明顯的方向性，從而改善型材氧化發(fā)黑問題。

第二相粒子（包括含F(xiàn)e 化合物、T-AlZnMgCu相等）的數(shù)量、大小差異及其分布不均勻是影響黑條的關(guān)鍵因素。這些因素與合金成分、合金的熔煉鑄造、變形工藝及熱處理工藝等密切相關(guān)。為減輕扁排經(jīng)陽極氧化產(chǎn)生的黑線缺陷，首先可以提高重熔鋁錠的純度，降低合金的Fe、Si元素含量，能夠顯著降低材料中的粗大第二相含量；其次，可以通過鑄造工藝優(yōu)化，細(xì)化鑄錠晶粒尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶界結(jié)晶相的細(xì)化；然后，可通過合適的擠壓變形工藝將其破碎均勻，從而改善含F(xiàn)e 相的尺寸、數(shù)量及均勻性；最后，優(yōu)化材料的熱處理制度。WAl7Cu2Fe、Al23CuFe4等含鐵相為高溫相，在固溶和均勻化過程中難以去除，因此可通過適當(dāng)?shù)臄D壓變形工藝將其破碎均勻，從而改善含F(xiàn)e相尺寸、數(shù)量及均勻性等。T-AlZnMgCu相屬于可溶于基體的強(qiáng)化相，通過合適的固溶工藝使其盡可能溶于基體，以減少第二相數(shù)目及分布的不均勻，還能提高合金強(qiáng)度[12]。

4 結(jié)論

（1）7075 鋁合金機(jī)加工表面氧化黑線的直接成因是機(jī)加工表面的粗大第二相在陽極氧化過程產(chǎn)生凹坑且分布不均勻。其根本原因是材料的組織不均勻，包括第二相的數(shù)量、尺寸差異以及晶粒尺寸、形態(tài)的差異。

（2）7075 扁排的1 號(hào)黑線區(qū)域的氧化腐蝕坑較深，沿晶粒取向具有一定方向性，2號(hào)黑線區(qū)域氧化坑深度較淺，腐蝕坑的長寬比約為1，無明顯方向性。

（3）7075 合金扁排氧化坑下方發(fā)現(xiàn)粗大第二相富集，第二相粒子包括含F(xiàn)e 化合物WAl7Cu2Fe、Al23CuFe4相等，可通過更大的擠壓比或更低的擠壓溫度使含F(xiàn)e相破碎均勻。T-AlZnMgCu相通過合適的固溶工藝使其溶于基體，從而減輕表面第二相分布的不均勻，改善型材表面氧化黑線情況。