5052 鋁合金陽極氧化黑條缺陷分析

吳春江

（中鋁瑞閩股份有限公司，福州350015）

0 前言

鋁合金材料的硬度較低，耐磨性較差，可以通過陽極氧化的方式在其表面生成一層氧化膜，以提高其表面硬度、耐磨性及耐蝕性，該技術在工業領域應用廣泛[1]。同時，陽極氧化膜著色后能夠制出各種色彩的裝飾外觀，可以用來制作筆記本、手機等電子產品的外殼[2]。

5052合金鋁板材具有良好的成形加工性能、抗蝕性、中等強度等，廣泛運用在制造飛機油箱、油管以及交通車輛、船舶的鈑金件、電子3C產品的結構件和外觀件等工業和民用消費領域。其中，國產5052陽極氧化材近幾年在國內手機和筆記本電腦外觀件上的應用比例大幅提高，性價比極高，有逐漸取代進口材料的趨勢。

本文分析了5052鋁合金軋制板陽極氧化后出現的黑條缺陷產生的原因，并提出了相應的解決措施。

1 試驗材料及方法

鋁合金陽極氧化工藝流程主要包括以下環節：樣品打磨除油→水洗→堿蝕→水洗→中和→陽極氧化→封閉晾干[3]。為了獲得質量完好的鋁合金陽極氧化層，進行陽極氧化的鋁板表面需平整，否則容易出現黑色斑點及條紋等缺陷[4-5]。

試驗材料為5052鋁合金軋制板陽極氧化后的板材，如圖1所示。由圖可知，陽極氧化后的鋁板氧化膜完整，表面較為平整，整體呈銀白色，但在劃線處出現細黑色條紋。從圖1虛線框所示位置黑色條紋附近取樣，采用日立SU 5000型熱場場發射掃描電鏡（SEM）進行黑色條紋的微觀組織分析，采用能譜儀對黑色斑點及條紋進行定性分析。

圖1 陽極氧化后黑條宏觀形貌

2 試驗結果與討論

2.1 微觀組織

采用掃描電鏡對5052鋁合金軋制板陽極氧化試樣進行觀察，結果如圖2所示。由圖2（a）可知，經過陽極氧化后的鋁板表面形貌完好，表面平整，仔細觀察可見灰色斑點。將其A區放大，在圖2（b）中部位置處具有較多的灰色斑點。進一步放大B、C區，由圖2（c）可知，鋁合金表面出現了點狀及短棒狀灰色斑點，圖2（d）處出現尺寸約為20 μm的黑色條狀缺陷，其周圍分布著短棒狀及灰色斑點。

圖2 掃描電鏡顯微形貌組織

2.2 能譜分析

采用能譜儀對黑色斑點及條紋進行定性分析，針對圖2所示B區和C區中的1、2、3、4位置進行能譜分析。其中：1#點位主要成分為：42.84Al、42.73O、10.10N、1.93Mg、1.85S、0.30P、0.25C（質量分數，%,下同）。2#點位主要成分為：35.52Al、43.91O、16.35Si、1.50Fe、2.07S、0.18C。3#點位和4#點位二者的元素基本一致，主要成分為Al、O，且含有少量C、Mg、S等雜質元素。由能譜儀分析可知，陽極氧化后的鋁合金表面生成了一層Al2O3氧化膜，其中的黑色斑點為N、Mg、Si、P、C、Fe、O等雜質元素

圖5 3#點位能譜分析

圖6 4#點位能譜分析

3 分析與討論

3.1 機理分析

陽極氧化過程是將提前處理好的鋁合金放入合適的電解液中，以鋁合金作為陽極，以鉛板等惰性電極作為陰極，外加電流，使鋁合金表面生成一定厚度的氧化鋁膜。其反應式為：

陽極反應：2Al+3H2O-6e-→Al2O3+6H+

陰極反應：2H++2e-→H2↑

在生成氧化膜的同時，由于酸的作用氧化膜的溶解也同時進行，其反應式為：

氧化初期，膜的生成速度大于溶解速度，則膜的厚度不斷增加，隨著膜厚的增加，其電阻增大，阻礙膜的生成速度，直到成膜速度與溶解速度達到平衡時膜的厚度即達到一定值，即可得到結構為蜂窩狀的氧化膜[6]。再對該氧化膜進行電解著色后封孔，即可得到獨特的色澤精美且性能穩定耐用的氧化膜[7]。

如果在陽極氧化處理的表面存在雜質或材料機體受到損傷，將會導致陽極氧化膜不均勻，影響氧化膜的反射率、顏色和耐蝕性，造成陽極化處理后有的地方出現黑色斑點，色澤發暗不光鮮，從而直接影響鋁合金外殼的美觀[8]。同時，缺陷和雜質的存在，會使得陽極化處理時的樣品表面電流不均勻，電解液在凹陷處流動速度減緩，在凸起處流動快，致使陽極化處理的表面出現不均勻的狀態，最終形成明顯的黑色條紋。

通過表面形貌觀察和能譜成分定性分析可知，產生缺陷的原因在于陽極化處理前該鋁合金外殼上存在軋制時產生的“條痕”缺陷和材質本身含有的雜質。能譜定性分析發現，該雜質物主要含有N、Mg、Si、P、C、Fe、O等雜質元素。

對試驗樣品生產工序過程所接觸的可能污染源進行對比分析可知：熱軋工序加熱爐的爐灰、乳液灰分殘留和軋輥表面殘留物的成分主要為Si、O、Fe、Cr、Al、Mg；其中的N元素主要來源于熔鑄過程中使用的氮化硼。因此，缺陷產生的主要原因在于坯料熱軋前的鑄錠清洗不徹底、軋制階段軋輥表面附著物沒有完全被輥刷清理干凈導致帶材表面在軋制時受到損傷從而產生條痕缺陷并造成雜質殘留在條痕缺陷處。另外，熔鑄過程中凈化和過濾不充分致使鋁材基體中殘留一定的雜質也是缺陷產生的次要原因。

3.2 缺陷防范措施

綜合上述分析，針對5052合金陽極氧化黑條缺陷可以從以下幾方面進行改善和防范：

熱軋工序段：（1）改進熱軋輥刷壓靠，控制合適的壓靠力，確保輥身范圍均勻受力；（2）適當提高終軋溫度，減少鋁粉和乳液殘留，使投入冷軋生產的板坯表面干凈無殘留；（3）定期清理加熱爐膛，確保清潔，嚴格控制軋前鑄錠清洗的質量，確保鑄錠表面清潔。

熔鑄工序段：（1）嚴格控制熔鑄過程中與熔體質量密切相關的過濾和除氣等工藝操作，重點控制流槽表面清潔，避免雜質帶入熔體；（2）原料如果為電解鋁液鑄造合金扁錠，重點要關注電解液的電解質等純凈度控制。

4 結論

5052鋁合金陽極氧化后易出現黑色條紋及斑點。通過分析得知，該缺陷主要為鋁材表面本身存在的條痕缺陷和雜質，且主要出現在熱軋過程的輥刷壓靠力、終軋溫度和坯料原始冶金質量等環節。因此，改進措施也從這兩方面入手，通過合理控制壓靠力、適當提高終軋溫度、保障熔鑄過程的過濾和除氣工藝效果等舉措，可以有效防范缺陷的產生。