鋁合金陽極氧化膜缺陷的原因分析

黃小漢

摘? 要：鋁合金受多種原因的影響，易存在氧化膜的典型缺陷。針對該缺陷，借助宏觀觀察與金相檢驗明確缺陷的形成原因。鋁合金表面陽極氧化膜缺陷的發(fā)生加工工藝，基體組織的不均勻性、晶粒異常有關(guān)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，由于鋁合金晶粒異常引發(fā)的缺陷占有較高的比例。鋁合金晶粒大小較為均勻時，直徑小于120μm時，表面氧化膜厚度均勻，性能穩(wěn)定;晶粒直徑大于180μm ，陽極氧化膜的形成受到影響。

關(guān)鍵詞：鋁合金;陽極氧化膜;缺陷分析

中圖分類號：TG174? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

鋁合金作為常用的金屬材料，體現(xiàn)出比強度、比剛度高，耐蝕性好等優(yōu)勢，還由于密度小可以廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，鋁合金加工技術(shù)實現(xiàn)了多方面的突破，特別是由于技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前表面陽極氧化處理技術(shù)實現(xiàn)了很大的進步。鋁合金陽極存在氧化作用的影響，表面會發(fā)生變化，形成一層氧化保護膜，保護膜可以起到著色裝飾作用，因此于氧化膜的保護具有耐蝕、耐磨、絕緣等多種優(yōu)勢。但是，氧化膜的形成過程也會導(dǎo)致出現(xiàn)質(zhì)量缺陷問題，表面處理難以達到技術(shù)要求。常用的缺陷包括存在不光滑紋路、表面覆蓋有麻點、著色失調(diào)不均勻、存在陰影線，不同批次產(chǎn)品的表面有色差。此外，由于鋁合金陽極氧化工藝上缺陷也會引發(fā)質(zhì)量問題。鋁合金表面也會受到加工工藝的影響，加工會導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)不均勻性。分析氧化膜缺陷的形成機理并采取防范措施，可以消除鋁合金表面陽極氧化膜缺陷。

1 鋁合金陽極氧化膜缺陷原因分析

1.1 表面加工引發(fā)的

1.1.1 表面有不光滑紋路

鋁合金工件常見的工序為：先對表面實施除油處理，采用酸洗液地表面加以化學(xué)拋光，酸性溶液可以實施除膜處理。水洗后進行陽極化處理。檢驗表面可以發(fā)現(xiàn)存在缺陷，順長度方向存在不光滑紋路。順工件橫截面方向，針對垂直紋路取樣后金相檢驗，有紋路存在的部位氧化膜變薄，發(fā)生了不同的程度的下陷。鋁合金基體存在少許凸起。凸起部位具有腐蝕特征。試樣浸蝕處理后，表面腐蝕性特征更加突出。鋁合金工件在實施化學(xué)拋光和除膜處理后，表面的鈍化膜會形成，但會發(fā)生腐蝕作用。在處理中如果鈍化膜的形成速度快于腐蝕速度，表面會生成鈍化膜，有利于實現(xiàn)保護作用。合金表面如果不能形成保護膜，腐蝕作用會明顯。由于加工工藝的缺陷，零件表面沿著徑向存在凸起線。有凸起線的部位，表明酸洗腐蝕強度過大，不利于鈍化膜的形成，局部位置存在腐蝕，表面缺陷發(fā)生。陽極氧化處理中，缺陷部位氧化膜如果完整難以保證，有不光滑紋路存在。

1.1.2 表面有麻點

檢驗鋁合金工件表面時，還可以在部分工件的氧化膜表面發(fā)現(xiàn)存在小的麻點，直徑約1 mm。麻點區(qū)域的鋁合金基體有典型的腐蝕特征。這一現(xiàn)象表明零件加工受工藝缺陷影響存在腐蝕，陽極氧化后，氧化膜表面有缺陷的部位可見麻點。

1.2 組織異常引發(fā)的缺陷

1.2.1 表面有皺點

陽極發(fā)生氧化后，表面會出現(xiàn)無規(guī)律分布、大小不一皺點。對皺點部位橫截面取樣后金相檢測，可見氧化膜的厚度不一致，薄厚不均。鋁合金基體表面皺點處存在許多雜質(zhì)顆粒。正常條件下氧化膜的厚度均勻，如果基體內(nèi)部聚集雜質(zhì)顆粒時，表面氧化膜會受到影響，導(dǎo)致厚度不均勻。這也表明鋁合金基體雜質(zhì)會影響到氧化膜的厚度，氧化膜表面有皺點缺陷存在[1]。

1.2.2 表面存在條紋

一些鋁合金工件由于加工工藝選擇不當(dāng)，陽極氧化處理后表面存在條紋缺陷，表面條紋面積較大，肉眼明顯，表面不平滑。在工件橫截面上取樣用金相觀察垂直條紋，可見存在條紋區(qū)域的氧化膜厚度與正常表面沒有太大的區(qū)別，但是觀察條紋下的基體顯微組織，發(fā)現(xiàn)與正常組織部位不一致，如圖1所示。正常顯微組織中發(fā)生彌散的數(shù)量相較少，并且呈均勻分布。在有條紋存在的工件表面，可見彌散質(zhì)點聚集，形態(tài)為呈胞狀。彌散質(zhì)點聚集析是氧化膜表面產(chǎn)生條紋的主要原因。

1.2.3 氧化膜有色差

鋁合金工件經(jīng)過陽極氧化工藝后，同一批次的色差也會有所差別，但是不同工件的表面氧化膜存在色差。部分工件的表面呈現(xiàn)出褐黃色，也有黑色。橫截面取樣實施金相檢測，可見氧化膜厚度較為一致，對比不同工件可見氧化膜厚度存在差異，褐黃色約為71μm，黑色約為45 μm。這也表明鋁合金氧化膜處理工藝會對組織色差產(chǎn)生影響。

分析褐黃色氧化膜，有塊狀未溶或難溶成分，沒有析出彌散質(zhì)點，基體較為純凈。黑色氧化膜有彌散相，彌散鑫發(fā)生于晶界區(qū)域。表面陽極氧化處理工藝大致相同，但鋁合金組織有一定的差異，同批次工件受組織差異的會導(dǎo)致氧化膜有色差現(xiàn)象[2]。

1.3 晶粒異常引發(fā)的氧化膜缺陷

1.3.1 存在表面花斑

工件表面經(jīng)過陽極氧化處理后，會粗大花斑出現(xiàn)。去除氧化膜后可見粗大的晶粒，晶粒特征明顯，尺寸約2 mm～3 mm。粗大花斑的原因是由于鋁合金基體組織有粗大晶粒。

1.3.2 存在外圓花斑

實施陽極氧化處理后，工件表面還會存在橢球狀花斑，多見于外圓處。磨去表面氧化膜觀察鋁合金形貌，可見外部有粗大的晶粒，尺寸達1 mm～2 mm。中部有細小的晶粒，尺寸約17 μm。氧化膜表面晶粒細小部位光滑，沒有花斑。分析原因，花斑的產(chǎn)生是由于存在粗大晶粒。

1.3.3 表面發(fā)花

表面經(jīng)過氧化處理后，正常時氧化膜的色澤均勻，但是部分工件經(jīng)過表面處理后會有發(fā)花問題，表現(xiàn)色澤有偏差。發(fā)生缺陷的原因除了氧化工藝，還會受到合金組織的影響。金相檢測氧化膜區(qū)域的組織，色澤均勻與隱約發(fā)花的試樣不存在差異，晶粒類似，部分晶粒存在亞晶，但部分晶外觀雖然光亮但是沒有亞晶。對比不同試樣，晶粒尺寸存在差異。晶粒細小的尺寸約為20 μm。晶粒粗大的尺寸約為180 μm。這一現(xiàn)象表明基體晶粒粗大是導(dǎo)致表面隱約發(fā)花的主要因素。

1.3.4“陰陽面”問題

氧化處理后一些鋁合金零件表面有“陰陽面”存在，顏色差異很大，一面偏深，一面偏淺，顏色有較大的差異。氧化膜顏色偏深的厚度為53 μm，偏淺的厚度約為44 μm，不同顏色的氧化膜都連續(xù)。鋁合金基體的氧化膜實現(xiàn)金相觀察。基體的組成存在相似性，晶粒形態(tài)有所差異。晶粒發(fā)生拉長直徑可達120 μm。內(nèi)部可見部分亞晶粒，晶界有細小的再結(jié)晶晶粒。還有再結(jié)晶存在，再晶粒尺寸可達4 μm。再結(jié)晶的差異會導(dǎo)致氧化膜存在“陰陽面”現(xiàn)象。

1.3.5 存在陰影線

實施陽極氧化處理后，部分工件表面會有陰影線產(chǎn)生。陰影線區(qū)域有著均勻的氧化膜厚度，沒有缺陷。顯微觀察，陰影線兩側(cè)顯粒沒有明顯的差異。依據(jù)陽極覆膜法分析晶粒。陰影線區(qū)域晶粒直徑有所差異，左側(cè)70 μm;右側(cè)120 μm。陰影線說明了晶粒尺寸有所突變，這一現(xiàn)象表明氧化膜有陰影線的原因是由于晶粒尺寸存在差異[3]。

2 綜合分析

依據(jù)上面的分析結(jié)果，鋁合金材料表面陽極氧化膜缺陷問題的發(fā)生原因有3類：表面加工工藝缺陷、基體晶粒大小不一致、晶粒直徑有異常變化。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，晶粒發(fā)生異常的比例最高，在鋁合金材料中加以需要引起更多的重視。從經(jīng)濟性來講，氧化膜缺陷問題不能在等到最后工序通過檢驗發(fā)現(xiàn)，針對質(zhì)量控制提前加以防范，包括陽極氧化工藝的選擇，加工前原材料的檢測。

鋁合金材料表面缺陷是由于加工工藝或基體組織不均勻引發(fā)的易于分析，但是晶粒如果有異常難以觀察，需要進一步檢測。針對這一問題要考慮到2個方面的影響因素，一些鋁合金材料要通過化學(xué)浸蝕才可以看到晶粒形貌，部分鋁合金制品實施陽極覆膜后偏檢測晶粒。如果晶粒不均勻，易于識別出氧化膜質(zhì)量問題的原因。但是晶粒如果總體均勻，要進一步檢測晶粒的尺寸范圍。上述的分析還表明，鋁合金晶粒尺寸控制在低于120 μm較為合適，這個尺寸范圍內(nèi)的氧化膜質(zhì)量可靠，厚度均勻，晶粒度均勻。如果晶粒尺寸大于180 μm，可見氧化膜表面會有隱約發(fā)花現(xiàn)象，這表明晶粒尺寸超過了許可范圍。晶粒尺寸的過渡段在是120 μm～180 μm ，當(dāng)前還缺少可信的研究結(jié)論。但是鋁合金晶粒間有位向差存在，在氧化后由于晶粒間會存在很大的差異，人眼可以分辨的晶粒最小為 100 μm。細小晶粒時氧化膜存在的差異難以用肉眼分辨， 肉眼認(rèn)為氧化膜是均勻的。因此鋁合金晶粒尺寸要控制在100 μm 以下，以保證氧化膜的均勻性。針對缺陷問題檢測要參考尺寸的合格范圍。鋁合金表面要經(jīng)陽極氧化處理的，檢測要結(jié)合表面陽極氧化膜處理可以直接作用的部位。其他處理部位如果不能體現(xiàn)出表面特征，難以表明處理效果。如果是非表面，鋁合金基組織還會受到晶粒均勻性的影響，晶粒差異會對氧化膜產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)論

鋁合金材料表面陽極氧化膜缺陷的發(fā)生原因包括加工質(zhì)量問題、組織不均勻、晶粒的異常變化。晶粒異常變化占比最多。鋁合金晶粒要保護均勻性好，需要控制在120 μm以下時，并保證厚度均勻;超過 180 μm 時，表面發(fā)花，不利于陽極氧化膜的形成。

參考文獻

[1]麻彥龍.鋁合金陽極氧化膜帶狀外觀缺陷成因分析[J].電鍍技術(shù)， 2014，32（2）：75-76.

[2]張超，黃生華.鋁 合 金 粗 晶 環(huán) 造 成 的 陽 極 氧 化 膜 外 觀 缺 陷 分析[J].能源與節(jié)能，2018（9）： 169-170.

[3]郭海霞，李雪峰，黃安琪.鋁合金表面陽極氧化膜缺陷成因分析[J]. 理化檢驗， 2019（12）：158-159.