6061擠壓材硬質(zhì)氧化色差研究

滕廣標(biāo)，范 君，丁幸宇，阮濤濤，高森田

（廣東堅(jiān)美鋁型材廠（集團(tuán)）有限公司，佛山 528222）

0 前言

作為一種綜合性能優(yōu)良的材料，鋁合金除了比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好外，通過陽(yáng)極氧化及著色處理后，還可獲得較好的裝飾外觀；通過硬質(zhì)陽(yáng)極氧化可獲得高膜厚、高硬度、高耐磨的表面，從而進(jìn)一步擴(kuò)大鋁合金的使用范圍[1～3]。然而隨著市場(chǎng)要求的逐漸提高，要求產(chǎn)品需兼具功能性與美觀性，比如氧化后的色澤均勻一致、光亮度高等，這就對(duì)原材料提出了更高的要求。

硬質(zhì)氧化制品通常使用于如機(jī)械裝備等較為復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，其產(chǎn)品的規(guī)格往往較大。而對(duì)于擠壓材來說，產(chǎn)品的尺寸規(guī)格越大，材料均勻性就越難控制，尤其是T6狀態(tài)的產(chǎn)品[4]。在生產(chǎn)過程中往往會(huì)出現(xiàn)幾種情況：一是大規(guī)格產(chǎn)品需要使用較大的鑄棒，而棒徑越大控制難度越大；二是對(duì)于壁厚差較大處，由于不同壁厚的變形程度差異，其組織也會(huì)有所區(qū)別；三是對(duì)于實(shí)心的材料，邊部與心部會(huì)產(chǎn)生流速的差異（邊部受工作帶的阻礙作用）；四是冷卻，壁厚越大的地方其冷卻速度相對(duì)越慢；五是頭中尾之間的差異，由于受擠壓過程冷卻的影響，較難實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓，難免會(huì)造成產(chǎn)品頭中尾的差異。

文獻(xiàn)中多對(duì)硬質(zhì)氧化的機(jī)理及工藝進(jìn)行研究，而針對(duì)出現(xiàn)色差的情況，前人多從氧化工藝、槽液配比、合金成分等進(jìn)行研究[5]，但對(duì)于鋁合金坯料層面造成的色差現(xiàn)象研究較少。基于生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)6061擠壓材進(jìn)行硬質(zhì)氧化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）少量產(chǎn)品出現(xiàn)邊部發(fā)黑、心部發(fā)黃的分色現(xiàn)象，而普通的陽(yáng)極氧化則無分色現(xiàn)象發(fā)生；（2）同批次產(chǎn)品出現(xiàn)不同顏色的現(xiàn)象。本文通過對(duì)分色樣板的組織及性能進(jìn)行研究，分析色差產(chǎn)生的原因，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

使用正向擠壓技術(shù)生產(chǎn)6061合金坯棒。采用在線淬火+時(shí)效，獲得T6態(tài)擠壓棒。擠壓工藝見表1，實(shí)驗(yàn)合金化學(xué)成分見表2。

表1 擠壓工藝參數(shù)

表2 試驗(yàn)用6061合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

對(duì)擠壓棒進(jìn)行車/銑削加工后獲得光滑表面，隨后進(jìn)行硬質(zhì)氧化處理。氧化工藝為15%硫酸溶液，通過人工強(qiáng)制制冷及壓縮空氣強(qiáng)力攪拌使槽液溫度控制在-8～-4℃，以2～2.5 A/dm2電流密度進(jìn)行直流陽(yáng)極氧化。為維持恒定電流密度，將起始電壓從20～25 V增加到40～60 V，最終獲得硬質(zhì)氧化制品。

使用布氏硬度計(jì)、顯微鏡、掃描電鏡及膜厚儀對(duì)氧化后的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)擠壓出的產(chǎn)品進(jìn)行硬質(zhì)氧化處理，氧化后出現(xiàn)明顯的分色現(xiàn)象，如圖1所示。其中，圖1（a）表現(xiàn)為相同樣板上出現(xiàn)明顯色差現(xiàn)象，表現(xiàn)為邊部5 mm發(fā)黑，芯部偏棕黃色的現(xiàn)象；圖1（b）和圖1（c）為頭尾顏色的差異，表現(xiàn)為擠壓出料頭部金屬氧化后發(fā)黃，而中尾部產(chǎn)品顏色偏深色特征。

圖1 色差樣板宏觀形貌圖

圖2為色差區(qū)域的SEM對(duì)比圖。從圖中可知，黑色區(qū)域白色第二相更加細(xì)小，密度大，而棕黃色區(qū)域第二相更大。如圖3中SEM-EDS圖所示，白色第二相為含鐵相，該相的熔點(diǎn)較高，在擠壓過程中只能破碎，無法予以消除。從SEM特征看，邊部金屬的變形量相對(duì)心部更大，導(dǎo)致邊部區(qū)域的第二相破碎程度相對(duì)心部高。

圖2 色差區(qū)域的SEM圖

圖3 白色第二相SEM-EDS圖

圖4示出了分色樣板的金相組織。從圖中對(duì)比看出，邊部氧化偏黑色區(qū)域晶粒細(xì)小，黑色與黃色過渡區(qū)域晶粒比黑色大，黃色區(qū)域的晶粒最大。從金相特征看，晶粒越細(xì)小，硬氧后的顏色越深。

圖4 色差區(qū)域OM圖

從SEM與金相的對(duì)比結(jié)果看，邊部發(fā)黑區(qū)域的含鐵第二相更加細(xì)小破碎，其對(duì)應(yīng)的金相特征表現(xiàn)為晶粒更加細(xì)小；而黃色區(qū)域的含鐵第二相更粗大，其晶粒尺寸更大。

從表3中的硬度及膜厚的數(shù)據(jù)看，邊部與心部色差區(qū)域沒有較為明顯的差異，但導(dǎo)電率有所差異，表現(xiàn)為邊部黑色區(qū)域?qū)щ娐矢哂谛牟科S區(qū)域。

表3 色差樣板性能

電導(dǎo)率與合金成分、析出物狀態(tài)有較大關(guān)系。在合金成分及硬度相同的情況下，其第二相的狀態(tài)對(duì)于電導(dǎo)率的影響較大。一般而言，析出物越大，密度越高，電子通過材料的過程變得越容易，其電導(dǎo)率相對(duì)越高；而析出物越小，密度越低，電導(dǎo)率越低。從該情況看，邊部發(fā)黑區(qū)域由于析出物更加密集，其導(dǎo)電率相對(duì)偏高，而心部黃色區(qū)域析出物的尺寸雖相對(duì)邊部大，但密度低，因此色差區(qū)域的電導(dǎo)率僅相差0.9%IACS。本研究中，第二相的密度比其尺寸對(duì)于電導(dǎo)率的影響更大。

圖5為擠壓頭尾樣板的對(duì)比結(jié)果，表現(xiàn)為頭部顏色偏黃、而尾部顏色偏黑。從金相對(duì)比結(jié)果看，黑色樣板的晶粒與黃色樣板晶粒有所差異。頭部樣板晶粒更大、尾部樣板更加細(xì)小。該情況與圖1類似。如表4所示，從電導(dǎo)率對(duì)比看，頭部比中尾部低1%IACS，而硬度方面頭部比中尾部低1～3 HBW。

圖5 頭尾色差樣板OM圖

表4 頭尾色差樣板性能

3 分析討論

3.1 氧化膜色差與組織及性能

普通陽(yáng)極氧化由于膜厚通常在25 μm以內(nèi)，孔隙率高，氧化膜通透，在常規(guī)低倍檢驗(yàn)中沒有明顯不同，通常在普氧后不會(huì)顯現(xiàn)出明顯色差現(xiàn)象。硬質(zhì)氧化的孔隙率低，僅為普氧孔隙率的1 7～1 8，且為低溫氧化，合金中的其他金屬/非金屬很難溶解，常殘留在氧化膜內(nèi)，故造成硬質(zhì)膜的透明度差，外觀呈黑灰色至黃褐色[5]。試驗(yàn)材料中，色差區(qū)域的晶界數(shù)量及大小密度均存在較大的區(qū)別，由于第二相的主要成分為含鐵、錳、鉻、硅等元素，其氧化后，氧化膜的通透性更差，因此與心部區(qū)域形成一定的色度差。另外，由于含鐵化合物多偏聚于晶界，因此從金相觀察看，深色樣板/區(qū)域的晶粒尺寸更小，黃色樣板/區(qū)域的晶粒尺寸更大。

硬質(zhì)氧化膜的質(zhì)量除與氧化工藝有關(guān)外、還與材料的合金成分、熱處理狀態(tài)等有關(guān)，而合金成分及熱處理狀態(tài)對(duì)于電導(dǎo)率的影響頗大。通常情況下，合金化程度越高電導(dǎo)率越低；相同合金成分下，析出物的含量越多電導(dǎo)率越高、固溶狀態(tài)比析出狀態(tài)的電導(dǎo)率低[6]。電導(dǎo)率與氧化工藝的電流強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，電導(dǎo)率越高，導(dǎo)電性越好，其成膜效率也越高。因此，電導(dǎo)率可作為硬質(zhì)氧化工藝改善的重要參考依據(jù)。

頭中尾及邊部與心部的硬度相差不大，原因是6061合金的主要強(qiáng)化方式為析出強(qiáng)化，主要強(qiáng)化相為Mg2Si。從SEM對(duì)比中可以看出，色差樣板的固溶程度基本一致，時(shí)效條件一致，因此硬度基本相當(dāng)；而由于電導(dǎo)率相差不大，膜厚也沒有表現(xiàn)出較大的差別。

3.2 氧化膜色差與擠壓工藝

擠壓工藝方面看，由于鋁棒經(jīng)過熱擠壓的作用，產(chǎn)品發(fā)生劇烈的塑性變形。對(duì)于相同樣板出現(xiàn)色差的情況如圖1（a）所示，鋁坯棒通過擠壓模具時(shí)，邊部金屬除了受到擠壓力外，還受模具工作帶剪切力及摩擦力的影響，其變形程度相對(duì)心部金屬更大。剪切力及摩擦力作用使得邊部金屬含鐵化合物的破碎程度更大，在一定溫度及條件下，并未發(fā)生晶粒粗大化，因此形成邊部與心部之間的組織差；另外，雖為穿水冷卻淬火，但表面與心部金屬的冷卻仍存在一定的冷速差，表面冷卻速度高于心部金屬，也是造成二者組織微量差異的原因之一。

不同樣板間（頭尾間）產(chǎn)生的色差情況正如圖1（b）和（c）所示，從整個(gè)擠壓過程看，頭端金屬在擠壓過程的溫升比尾端低，由于處于開始填充擠壓階段，擠壓速度是相對(duì)偏低的。在淬火過程中，頭部淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間長(zhǎng)，在淬火轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，相對(duì)中尾部穩(wěn)定擠壓階段產(chǎn)品的晶粒偏大。

綜合來說，正向擠壓制品組織在斷面及長(zhǎng)度方向上都是不均勻的，這種不均勻性主要是由變形不均勻引起的，與擠壓溫度和速度的變化也有較大關(guān)系[7]。適當(dāng)對(duì)鑄棒進(jìn)行梯度加熱，采用等溫?cái)D壓、反向擠壓等方式改善變形的均勻性，適當(dāng)調(diào)節(jié)擠壓速度優(yōu)化淬火過程中產(chǎn)生的差異，可有效改善硬質(zhì)氧化色差問題。

4 結(jié)論

（1）色差區(qū)域金相與SEM有較大差別，色差產(chǎn)生的主要原因?yàn)樽冃纬潭鹊牟町悺?/p>

（2）同樣板邊部與心部之間的色差可通過提高頭部金屬的加熱溫度、增大頭部廢料的鋸切長(zhǎng)度等手段進(jìn)行改善。另外，適當(dāng)提高頭端金屬的擠壓速度，縮短頭端金屬的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間也可改善色差現(xiàn)象。

（3）擠壓過程中的不均勻性是存在的，通過梯度加熱、反向擠壓、優(yōu)化擠壓速度等手段改善頭尾金屬的變形程度，可有效改善色差問題。