不同工藝對3C產品用Al-Mg合金力學性能和耐腐蝕性能的影響

鄧松云，閆 瑋，龐博文，韋克劍，莫灼強

（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實驗室，南寧 530031）

0 前言

隨著信息時代的來臨，手機、平板電腦、智能手表等3C電子產品成為人們生活和工作中不可或缺的一部分。這些消費電子產品的外殼、背板、結構件不僅需要具備較高的強度和硬度以保護核心電子器件，還需要在外觀設計、光潔度、色彩等諸多方面滿足消費者個性化需求，促使對用于生產這類產品的耐腐蝕低鎂Al-Mg合金的需求也不斷增加[1-3]。5×××系鋁合金是不經熱處理的非強化型鋁合金，具有中等力學強度、易于加工成型，以及美觀、質輕、安全環保等特點，特別是其優異的耐腐蝕性能，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電子產品是陽極氧化產品，需要經強酸或強堿處理，這對合金的耐腐蝕性能有著極高的要求[8-9]。部分產品因陽極氧化后產生料紋、氧化白點等缺陷而使外觀面受損，影響使用。

本文結合實際生產，探討了不同工藝對Al-Mg合金的力學性能、耐腐蝕性能的影響，以及材料陽極氧化工藝后氧化白點形成的原因，并確定了陽極制品用鋁合金材料的較優工藝要點，以期為后續生產提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本次試驗材料采用的是低鎂Al-Mg合金，材料具體的化學成分如表1所示。

表1 材料的化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗方法

本試驗通過采用兩種不同工藝試制，探究了影響材料力學性能和耐腐蝕性能的工藝參數。方案1對應的是冷加工率為50%的H3n狀態材料，方案2為冷加工率為75%的H2n狀態材料，其工藝流程如圖1所示。

圖1 兩個方案的工藝流程圖

方案1：鑄錠經均熱后，通過“1+4”熱軋機組進行加熱軋制，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℃。經過退火溫度為330℃、保溫時間為6 h的中間退火后，再經過CVC六輥冷軋機組冷軋至厚度為2.5 mm，最后將經冷加工后的板材分別在120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃和260℃溫度下進行穩定化退火，保溫時間為4 h。

方案2：鑄錠經均熱后，通過“1+4”熱軋機組進行加熱軋制，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℃。再經過CVC六輥冷軋機組冷軋至厚度為2.5 mm，最后將經冷加工后的板材分別在200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃和260℃溫度下進行不完全退火，保溫時間為4 h。

對材料進行力學性能檢測、鹽霧腐蝕試驗和陽極氧化試驗。鹽霧腐蝕的腐蝕介質：pH值為3.0的乙酸溶液+0.25 g/L無水氯化銅；腐蝕時間：放在密閉鹽霧箱內24 h，密閉環境溫度（50±2）℃。陽極氧化試驗工序：打磨→噴砂→陽極，腐蝕溶液：50%NaOH+20%H2SO4+水，陽極膜厚為10~15μm。采用美國iCAP6300 ICP熱電直讀光譜儀檢測鋁合金中元素的含量，采用德國Z100材料試驗機檢測鋁合金力學性能，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極氧化后有氧化白點的樣品形貌并檢測鋁合金中元素的含量，探究不同工藝狀態對材料力學性能和耐腐蝕性能的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 退火溫度對材料力學性能的影響

按方案1工藝流程生產，成品力學性能如表2、圖2所示。按方案2工藝流程生產，其力學性能如表2、圖3所示。對比圖2、圖3的力學性能曲線，冷加工率為50%的H3n狀態材料，其屈服強度和抗拉強度在退火溫度120~180℃之間存在一個性能穩定的平臺區，性能變化并不明顯；而在200℃之后，隨著溫度上升，屈服強度和抗拉強度下降，延伸率上升。這是因為在保溫時間一定時，低于200℃的穩定化處理溫度對再結晶沒有顯著貢獻，析出的第二相彌散作用大于回復軟化效果，第二相析出情況成為影響材料強度的主要原因。伴隨著溫度的升高，靜態回復程度加大，軟化作用起主導作用[10]。冷加工率為75%的H2n狀態的材料，其屈服強度、抗拉強度和延伸率與退火溫度呈線性相關性，隨著溫度上升，屈服強度和抗拉強度下降，延伸率上升；并且力學性能對退火溫度變化較為敏感，在實際生產中較難精準控制。

表2 不同退火工藝下材料的力學性能

圖2 H3n不同退火溫度下材料的力學性能

圖3 H2n不同退火溫度下材料的力學性能

H3n和H2n狀態材料的金相組織如圖4和圖5所示。不同工藝狀態的材料，其不同截面的金相組織也不相同。H3n狀態材料的L-T面組織均勻，L-S面呈等軸晶狀；H2n狀態材料的L-T面為不均勻塊狀組織，L-S面為細長的纖維狀。這是因為H3n狀態材料是經過了中間退火處理，發生了完全再結晶，形成再結晶組織，再經冷加工使得晶粒破碎，形成更細小均勻的等軸晶組織；而H2n狀態材料先經過熱軋，然后再直接冷軋加工，組織不斷壓扁，形成細長的纖維狀。

圖4 H3n狀態的金相組織

圖5 H2n狀態的金相組織

2.2 材料耐腐蝕性能的分析

對兩種不同工藝狀態的成品材料進行陽極氧化處理，發現方案1的材料陽極氧化后出現氧化白點缺陷概率為10%，而方案2的材料陽極后無氧化白點缺陷。造成著色時陽極表面因無法染色而產生白色點的通常的原因之一是鋁材料表面存在腐蝕孔洞[11]。陽極后材料表面白點區域的金相圖如圖6（a）所示，可以清楚看到材料有一處白亮的異色區域，此處即為陽極后氧化白點，并且氧化白點的陽極膜表面有可見裂紋；圖6（b）是缺陷樣品的縱截面（L-S面）金相腐蝕圖，可以發現裂縫是沿著晶界擴展的，說明材料發生了晶間腐蝕，這是產生陽極后氧化白點的原因之一。

圖6 陽極后氧化白點樣品金相圖

為進一步探究，對缺陷材料進行了SEM和EDS分析，結果如圖7所示。SEM觀察可以發現，金相的白亮區域形成一個凹坑，主要由Al、Mg等基體元素組成，同時還有少量O、S、C、Ni元素，說明凹坑內部表面仍有形成陽極膜；除凹坑以外的區域表面附著較為完整的陽極氧化膜，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。對兩種不同材料進行鹽霧腐蝕試驗，對比其耐腐蝕性能優劣。

圖7 氧化白點缺陷EDS面掃圖

圖8 是方案1在不同退火溫度下生產的材料的鹽霧腐蝕對比圖。對比發現，試樣表面呈淺灰白色，局部有稍鼓起的白色腐蝕點，這說明材料發生了不同程度的點腐蝕，退火溫度高于200℃時，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℃。取屈服強度在190~200 MPa之間的兩種工藝方案的材料進行鹽霧腐蝕試驗，結果如圖9所示。可以發現在相同性能下，按方案2工藝生產的材料白色點腐蝕數量少于方案1，耐腐蝕性能要優于方案1。這也與前文陽極氧化測試出現氧化白點的概率相符，表明材料的耐腐蝕性能越好，陽極后出現氧化白點的概率越小。

圖8 H3n狀態不同退火溫度下的鹽霧腐蝕對比圖

圖9 H3n與H2n材料的鹽霧腐蝕對比圖

3 結論

（1）冷加工率50%的H3n狀態材料，其屈服強度和抗拉強度在退火溫度120~180℃之間存在一個平臺區，性能變化不明顯。材料組織較均勻，呈等軸晶狀，陽極后易出現氧化白點缺陷，并伴隨晶間腐蝕。

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

（3）在力學性能一定時，H2n狀態的Al-Mg合金材料要比H3n狀態的材料耐腐蝕性能更好，陽極后幾乎無氧化白點。對于需要陽極氧化的3C產品用Al-Mg合金，宜采用H2n狀態工藝進行工業化生產。