6061挤压材硬质氧化色差研究
时间：2022-12-09 16:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
滕广标，范 君，丁幸宇，阮涛涛，高森田
（广东坚美铝型材厂（集团）有限公司，佛山 528222）
作为一种综合性能优良的材料，铝合金除了比强度高、耐腐蚀性好外，通过阳极氧化及着色处理后，还可获得较好的装饰外观；
通过硬质阳极氧化可获得高膜厚、高硬度、高耐磨的表面，从而进一步扩大铝合金的使用范围[1～3]。然而随着市场要求的逐渐提高，要求产品需兼具功能性与美观性，比如氧化后的色泽均匀一致、光亮度高等，这就对原材料提出了更高的要求。
硬质氧化制品通常使用于如机械装备等较为复杂的环境当中，其产品的规格往往较大。而对于挤压材来说，产品的尺寸规格越大，材料均匀性就越难控制，尤其是T6状态的产品[4]。在生产过程中往往会出现几种情况：一是大规格产品需要使用较大的铸棒，而棒径越大控制难度越大；
二是对于壁厚差较大处，由于不同壁厚的变形程度差异，其组织也会有所区别；
三是对于实心的材料，边部与心部会产生流速的差异（边部受工作带的阻碍作用）；
四是冷却，壁厚越大的地方其冷却速度相对越慢；
五是头中尾之间的差异，由于受挤压过程冷却的影响，较难实现等温挤压，难免会造成产品头中尾的差异。
文献中多对硬质氧化的机理及工艺进行研究，而针对出现色差的情况，前人多从氧化工艺、槽液配比、合金成分等进行研究[5]，但对于铝合金坯料层面造成的色差现象研究较少。基于生产实践，对6061挤压材进行硬质氧化，结果发现：（1）少量产品出现边部发黑、心部发黄的分色现象，而普通的阳极氧化则无分色现象发生；
（2）同批次产品出现不同颜色的现象。本文通过对分色样板的组织及性能进行研究，分析色差产生的原因，为相关技术人员提供参考。
使用正向挤压技术生产6061合金坯棒。采用在线淬火+时效，获得T6态挤压棒。挤压工艺见表1，实验合金化学成分见表2。
表1 挤压工艺参数
表2 试验用6061合金成分（质量分数/%）
对挤压棒进行车/铣削加工后获得光滑表面，随后进行硬质氧化处理。氧化工艺为15%硫酸溶液，通过人工强制制冷及压缩空气强力搅拌使槽液温度控制在-8～-4℃，以2～2.5 A/dm2电流密度进行直流阳极氧化。为维持恒定电流密度，将起始电压从20～25 V增加到40～60 V，最终获得硬质氧化制品。
使用布氏硬度计、显微镜、扫描电镜及膜厚仪对氧化后的相关参数进行记录。
对挤压出的产品进行硬质氧化处理，氧化后出现明显的分色现象，如图1所示。其中，图1（a）表现为相同样板上出现明显色差现象，表现为边部5 mm发黑，芯部偏棕黄色的现象；
图1（b）和图1（c）为头尾颜色的差异，表现为挤压出料头部金属氧化后发黄，而中尾部产品颜色偏深色特征。
图1 色差样板宏观形貌图
图2为色差区域的SEM对比图。从图中可知，黑色区域白色第二相更加细小，密度大，而棕黄色区域第二相更大。如图3中SEM-EDS图所示，白色第二相为含铁相，该相的熔点较高，在挤压过程中只能破碎，无法予以消除。从SEM特征看，边部金属的变形量相对心部更大，导致边部区域的第二相破碎程度相对心部高。
图2 色差区域的SEM图
图3 白色第二相SEM-EDS图
图4示出了分色样板的金相组织。从图中对比看出，边部氧化偏黑色区域晶粒细小，黑色与黄色过渡区域晶粒比黑色大，黄色区域的晶粒最大。从金相特征看，晶粒越细小，硬氧后的颜色越深。
图4 色差区域OM图
从SEM与金相的对比结果看，边部发黑区域的含铁第二相更加细小破碎，其对应的金相特征表现为晶粒更加细小；
而黄色区域的含铁第二相更粗大，其晶粒尺寸更大。
从表3中的硬度及膜厚的数据看，边部与心部色差区域没有较为明显的差异，但导电率有所差异，表现为边部黑色区域导电率高于心部偏黄区域。
表3 色差样板性能
电导率与合金成分、析出物状态有较大关系。在合金成分及硬度相同的情况下，其第二相的状态对于电导率的影响较大。一般而言，析出物越大，密度越高，电子通过材料的过程变得越容易，其电导率相对越高；
而析出物越小，密度越低，电导率越低。从该情况看，边部发黑区域由于析出物更加密集，其导电率相对偏高，而心部黄色区域析出物的尺寸虽相对边部大，但密度低，因此色差区域的电导率仅相差0.9%IACS。本研究中，第二相的密度比其尺寸对于电导率的影响更大。
图5为挤压头尾样板的对比结果，表现为头部颜色偏黄、而尾部颜色偏黑。从金相对比结果看，黑色样板的晶粒与黄色样板晶粒有所差异。头部样板晶粒更大、尾部样板更加细小。该情况与图1类似。如表4所示，从电导率对比看，头部比中尾部低1%IACS，而硬度方面头部比中尾部低1～3 HBW。
图5 头尾色差样板OM图
表4 头尾色差样板性能
3.1 氧化膜色差与组织及性能
普通阳极氧化由于膜厚通常在25 μm以内，孔隙率高，氧化膜通透，在常规低倍检验中没有明显不同，通常在普氧后不会显现出明显色差现象。硬质氧化的孔隙率低，仅为普氧孔隙率的1 7～1 8，且为低温氧化，合金中的其他金属/非金属很难溶解，常残留在氧化膜内，故造成硬质膜的透明度差，外观呈黑灰色至黄褐色[5]。试验材料中，色差区域的晶界数量及大小密度均存在较大的区别，由于第二相的主要成分为含铁、锰、铬、硅等元素，其氧化后，氧化膜的通透性更差，因此与心部区域形成一定的色度差。另外，由于含铁化合物多偏聚于晶界，因此从金相观察看，深色样板/区域的晶粒尺寸更小，黄色样板/区域的晶粒尺寸更大。
硬质氧化膜的质量除与氧化工艺有关外、还与材料的合金成分、热处理状态等有关，而合金成分及热处理状态对于电导率的影响颇大。通常情况下，合金化程度越高电导率越低；
相同合金成分下，析出物的含量越多电导率越高、固溶状态比析出状态的电导率低[6]。电导率与氧化工艺的电流强度有对应关系，电导率越高，导电性越好，其成膜效率也越高。因此，电导率可作为硬质氧化工艺改善的重要参考依据。
头中尾及边部与心部的硬度相差不大，原因是6061合金的主要强化方式为析出强化，主要强化相为Mg2Si。从SEM对比中可以看出，色差样板的固溶程度基本一致，时效条件一致，因此硬度基本相当；
而由于电导率相差不大，膜厚也没有表现出较大的差别。
3.2 氧化膜色差与挤压工艺
挤压工艺方面看，由于铝棒经过热挤压的作用，产品发生剧烈的塑性变形。对于相同样板出现色差的情况如图1（a）所示，铝坯棒通过挤压模具时，边部金属除了受到挤压力外，还受模具工作带剪切力及摩擦力的影响，其变形程度相对心部金属更大。剪切力及摩擦力作用使得边部金属含铁化合物的破碎程度更大，在一定温度及条件下，并未发生晶粒粗大化，因此形成边部与心部之间的组织差；
另外，虽为穿水冷却淬火，但表面与心部金属的冷却仍存在一定的冷速差，表面冷却速度高于心部金属，也是造成二者组织微量差异的原因之一。
不同样板间（头尾间）产生的色差情况正如图1（b）和（c）所示，从整个挤压过程看，头端金属在挤压过程的温升比尾端低，由于处于开始填充挤压阶段，挤压速度是相对偏低的。在淬火过程中，头部淬火转移时间长，在淬火转移过程中发生静态再结晶，相对中尾部稳定挤压阶段产品的晶粒偏大。
综合来说，正向挤压制品组织在断面及长度方向上都是不均匀的，这种不均匀性主要是由变形不均匀引起的，与挤压温度和速度的变化也有较大关系[7]。适当对铸棒进行梯度加热，采用等温挤压、反向挤压等方式改善变形的均匀性，适当调节挤压速度优化淬火过程中产生的差异，可有效改善硬质氧化色差问题。
（1）色差区域金相与SEM有较大差别，色差产生的主要原因为变形程度的差异。
（2）同样板边部与心部之间的色差可通过提高头部金属的加热温度、增大头部废料的锯切长度等手段进行改善。另外，适当提高头端金属的挤压速度，缩短头端金属的淬火转移时间也可改善色差现象。
（3）挤压过程中的不均匀性是存在的，通过梯度加热、反向挤压、优化挤压速度等手段改善头尾金属的变形程度，可有效改善色差问题。
猜你喜欢 硬质色差电导率 CIEDE2000色差公式在彩涂板色差检测上的应用研究宝钢技术(2022年2期)2022-07-09探讨风景园林工程中软质景观和硬质景观施工装备维修技术(2020年30期)2020-07-07基于RTV中值滤波算法的染色纺织物色差检测研究科技视界(2020年4期)2020-04-26硬质包装盒的制作成型技法简析戏剧之家(2019年19期)2019-08-01集束化护理在全麻硬质气管镜介入手术患者中的临床研究中国医学创新(2019年25期)2019-01-16信息时代城市硬质地面追踪警犬实战及训练时应注意的问题计算机与网络(2018年21期)2018-09-10不同低温处理对桃1年生枝相对电导率的影响山西果树(2017年4期)2018-02-08基于电导率法的地沟油含量测定物联网技术(2017年5期)2017-06-03基于可见光谱的非接触式金属离子水质监测原理研究科技视界(2016年4期)2016-02-222265FS土壤原位电导仪测定结果与土壤含盐量的关系湖北农业科学(2014年13期)2014-08-28
