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6063鋁合金型材“閃爍花紋”的成因及對(duì)策

來源:中國鋁材信息網(wǎng)  作者:*  日期:2010-9-30
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摘要:在6063鋁合金建筑裝飾型材的生產(chǎn)中,常會(huì)見到一些空心、半空心的,甚至是一些斷面曲率較大的實(shí)心的擠壓材,經(jīng)過硫酸陽極氧化生產(chǎn)工藝處理后,其表面局部會(huì)出現(xiàn)一種沿縱向連續(xù)分布的,具有一定寬度的顯示為粗糙不平(似梨皮狀)的,清晰可見的閃爍晶粒狀的。
  摘要:在6063鋁合金建筑裝飾型材的生產(chǎn)中,常會(huì)見到一些空心、半空心的,甚至是一些斷面曲率較大的實(shí)心的擠壓材,經(jīng)過硫酸陽極氧化生產(chǎn)工藝處理后,其表面局部會(huì)出現(xiàn)一種沿縱向連續(xù)分布的,具有一定寬度的顯示為粗糙不平(似梨皮狀)的,清晰可見的閃爍晶粒狀的。


  1、前言

  在6063鋁合金建筑裝飾型材的生產(chǎn)中,常會(huì)見到一些空心、半空心的,甚至是一些斷面曲率較大的實(shí)心的擠壓材,經(jīng)過硫酸陽極氧化生產(chǎn)工藝處理后,其表面局部會(huì)出現(xiàn)一種沿縱向連續(xù)分布的,具有一定寬度的顯示為粗糙不平(似梨皮狀)的,清晰可見的閃爍晶粒狀的表面缺陷—“閃爍花紋”(或稱“光亮花樣”)。其分布規(guī)律是:①沿?cái)D壓方向,尾部比頭部更明顯可見,嚴(yán)重時(shí),首尾都很明顯;②沿垂直于擠壓軸線的方向,“花紋”一般只出現(xiàn)在局部,尤其出現(xiàn)在型材曲率較大的部位,或是空心、半空心型材的焊縫區(qū)域,或是在型材的形成過程中6063合金承受摩擦阻力最大的部位。


  2、成因分析

  2.1 氧化前處理工藝的影響
  某些擠壓材經(jīng)硫酸脫脂并水洗后,表面無異常變化,而當(dāng)其在wZn2+≥4×10-6的堿蝕液中經(jīng)正常的浸蝕并隨后立即有效水洗后,就會(huì)看到“閃爍花紋”的存在。筆者對(duì)擠壓材的擠壓組織進(jìn)行分析,結(jié)果表明:“閃爍花紋”對(duì)應(yīng)的組織是晶粒度比正常部位的大得多的粗大等軸晶的再結(jié)晶組織——粗晶環(huán),且晶粒越粗大,“閃爍花紋”越明顯;這種現(xiàn)象也隨著浸蝕的進(jìn)行而越來越明顯。


  文獻(xiàn)[1]指出:“閃爍花紋”的形成除了與合金成分(尤其是Zn)、擠壓材(RCS狀態(tài))的組織狀態(tài)有關(guān)外,還與堿蝕液中[Zn2+]有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明:在合金中,當(dāng)wZn≥0.033%,且型材表面存在粗晶環(huán)的前提下,只要堿蝕液中wZn2+≥4×10-6,就會(huì)產(chǎn)生“閃爍花紋”。


  產(chǎn)生“閃爍花紋”的根本原因是堿蝕液中Zn污染引起的選擇性晶間腐蝕[2]。晶間腐蝕的機(jī)理是電化學(xué)的,是晶界內(nèi)的局部原電池作用的結(jié)果。沿晶粒邊緣沉淀析出的第二相Mg2Si與貧乏的固溶體之間由于腐蝕電位的不同,在堿蝕電解質(zhì)溶液中,形成了原電池α-Al-Mg2Si。在實(shí)際生產(chǎn)中,一般都要求Si的含量過剩,則其晶間腐蝕敏感性增大,因?yàn)槲挥诰Ы缂捌涓浇鼌^(qū)域的游離硅具有很強(qiáng)的陽極性[3]。


  研究結(jié)果表明:“閃爍晶!钡木Ы缂捌涓浇鼌^(qū)域中的含Zn量相對(duì)偏高,即Zn參與了腐蝕過程。文獻(xiàn)[4]推測:Zn是以“溶解-再沉積”的方式促進(jìn)晶界腐蝕的。堿洗時(shí),固熔于α-Al中的Zn隨α-Al的溶解而溶解;當(dāng)槽液中wZn2+≥4×10-6時(shí),發(fā)生反應(yīng):Al+Zn2+→Zn+Al3+,單質(zhì)Zn有選擇地在陰極性區(qū)域沉積,進(jìn)一步加劇了局部腐蝕。


  2.2 鑄錠質(zhì)量的影響

  我們知道;6063鋁合金的主要相組成為:游離Si(陽極相)和FeAl3(陽極相),當(dāng)wFe≥wSi時(shí),有α-(Al-Fe-Si)(陽極相);當(dāng)wFe≤wSi時(shí),有β-(Al-Fe-Si)(陰極相)。實(shí)際生產(chǎn)中,要求6063合金的成分應(yīng)符合國際GB3190-82之規(guī)定,并且要求按wFe∶wSi=1.73∶1相對(duì)過剩的Si元素的過剩量不大于0.20%。而在6063鋁合金型材(RCS狀態(tài))的堿蝕處理過程中,當(dāng)其他條件具備時(shí),只要合金中wZn≥0.03%,就可能產(chǎn)生“閃爍花紋”缺陷;并且這種缺陷的清晰程度隨合金中Zn含量的增加而增大。特別應(yīng)該指出的是:在相同條件下,產(chǎn)生“閃爍花紋”缺陷時(shí),合金中Zn的含量對(duì)空心型材的影響要比它對(duì)實(shí)心型材的影響更明顯。


  2.3 擠壓-熱處理工藝因素的影響

  文獻(xiàn)指出[5]:低層錯(cuò)能的金屬(如α-Al)在擠壓(ε=90%)時(shí),只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),而后會(huì)發(fā)生靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。純鋁的再結(jié)晶溫度約為280℃,而6063鋁合金的再結(jié)晶溫度為320℃左右。我們知道:無論是“回復(fù)”還是“再結(jié)晶”都是原子在固相中的擴(kuò)散遷移過程。這與原子擴(kuò)散所需的化學(xué)勢有關(guān),且需要在較高的溫度下才能順利進(jìn)行。當(dāng)溫度過低時(shí),擴(kuò)散不宜進(jìn)行,使“回復(fù)”和“再結(jié)晶”過程受到抑制。


  由上述理論可知:在正常的工藝條件下生產(chǎn)RCS狀態(tài)的6063鋁合金擠壓型材,在經(jīng)擠壓-淬火處理后,其組織為:Mg、Si等元素的原子固溶于α-Al中而形成過飽和鋁基固溶體以及游離Si單質(zhì)等,晶粒細(xì)小且均勻分布,成為只發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)或靜態(tài)回復(fù)的加工組織。經(jīng)人工時(shí)效處理后,6063鋁合金型材的主要相組成為:α-Al,游離Si,主要強(qiáng)化相Mg2Si,等等。組織狀態(tài)為:細(xì)小的Mg2Si晶粒彌散均勻分布于α-Al基體中,而游離Si分布與晶界及其附近區(qū)域。而當(dāng)生產(chǎn)條件控制不當(dāng)(如淬火冷卻強(qiáng)度不足)時(shí),就可能發(fā)生“靜態(tài)再結(jié)晶”及“再結(jié)晶晶粒長大”而形成粗晶環(huán)。


  粗晶環(huán)的分布規(guī)律是:靠近擠壓筒壁的部分出現(xiàn)較厚粗晶環(huán);模具工作帶磨擦阻力較大的部分具有較厚粗晶環(huán);較厚粗晶環(huán)處的晶粒比較粗大。沿?cái)D壓方向上的粗晶環(huán)厚度的分布規(guī)律是:頭部薄、尾部厚;嚴(yán)重時(shí)會(huì)在全斷面上出現(xiàn)粗晶組織。粗晶環(huán)的最大深度為:2.0-2.5mm。


  粗晶環(huán)的形成機(jī)理是[6]:粗晶環(huán)產(chǎn)生的部位常常是金屬材料承受劇烈附加剪切變形的部位。在軟鋁合金(如6063合金)空心、半空心型材的擠壓過程中,其外層晶粒承受較內(nèi)部更加劇烈的附加剪切變形,且沿?cái)D壓方向上尾部較頭部的要?jiǎng)×业牡枚啵惺芡饽Σ翉?qiáng)烈且摩擦?xí)r間長的部位的金屬附加剪切變形較大。其晶粒的破碎和晶格畸變的程度也比較劇烈。因此,該部位金屬處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài),界面能高,從而降低了該部位的再結(jié)晶溫度(這個(gè)溫差約為35℃),使晶粒形核長大的驅(qū)動(dòng)力提高。同時(shí)由于劇烈摩擦部位金屬的溫度急劇升高,在風(fēng)冷卻不及時(shí)或冷卻強(qiáng)度不足時(shí),擠壓時(shí)析出的部分彌散質(zhì)點(diǎn)(如MnAl6 CrAl7等)重新溶于固溶體α-Al內(nèi),阻礙再結(jié)晶的條件消失,也使再結(jié)晶溫度下降,再結(jié)晶形核、長大的驅(qū)動(dòng)力提高。


  由此可見:當(dāng)6063鋁合金擠壓溫度偏高,擠壓速度過快,模具局部工作帶過長,使合金型材流出?诇囟绕叨治醇皶r(shí)風(fēng)冷至250℃以下時(shí),就易發(fā)生局部的靜態(tài)再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒的聚集長大,這就產(chǎn)生了粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的存在,為“閃爍花紋”的形成創(chuàng)造了組織上的客觀條件。


  3、預(yù)防措施

  由于“閃爍花紋”缺陷的存在,造成大量工藝廢品,給企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營帶來重大損失。因此,必須針對(duì)具體成因而采取具體的預(yù)防措施,防止這種表面缺陷的產(chǎn)生。

 、俑鶕(jù)擠壓材表面有無粗晶環(huán)及粗晶的大小,在生產(chǎn)工藝規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi),調(diào)整生產(chǎn)工藝控制參數(shù),盡量減小粗晶環(huán)對(duì)氧化材表面質(zhì)量的影響。

 、谶x擇性能優(yōu)良的堿蝕添加劑。當(dāng)堿蝕液中[Zn2+]偏高時(shí),應(yīng)及時(shí)向槽液中補(bǔ)加過量NaS或多硫化鈉。

 、鄹鶕(jù)下列處于工作溫度下的電離平衡方程式:Zn2++2OH-Zn(OH)22H++Zn,為了抑制Zn2+的不良影響,可以增大游離NaOH的濃度,從而降低Zn2+的濃度,從而使wZn2+<3×10-6;蛘卟捎孟扰欧乓徊糠峙f槽液,再補(bǔ)充相當(dāng)量的新槽液,亦可使得wZn2+<3×10-6。

 、芤罁(jù)國際GB3190-82之規(guī)定,從企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā),制定一個(gè)適合本企業(yè)情況的6063鋁合金成分的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)格控制Si、Fe、Mg、Zn的含量,要求Si的含量相對(duì)于wMg∶wSi=1.73∶1所要求的含Si量過剩,但過剩量不大于0.20%;wZn2+≤0.050%;要進(jìn)行鑄錠的均化退火處理,消除偏析現(xiàn)象。

 、菡{(diào)整模具結(jié)構(gòu),減小局部的劇烈摩擦縮短相應(yīng)部位工作帶的長度,加大空刀斜度或保證工作帶平面與空刀斜面結(jié)合處的高度差不小于0.5mm,調(diào)整分流孔的布置或第一分流比K1的大小及模橋斷面下端的形狀尺寸,減小兩股金屬在焊和室上部相遇時(shí)的相對(duì)摩擦力。

 、拚{(diào)整鑄,錠擠壓筒等的加熱溫度,擠壓溫度和擠壓速度的控制參數(shù),嚴(yán)格控制淬火冷卻工藝,避免靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。


  4、結(jié)束語

  綜上所述,“閃爍花紋”的形成是有規(guī)律的,其影響因素也不是單一的。在生產(chǎn)中,不同企業(yè)應(yīng)從實(shí)際出發(fā),具體問題具體分析,采取恰當(dāng)措施解決具體問題,提高經(jīng)濟(jì)效益。
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