热处理温度对Al-2%Mg...织及阳极氧化表面性能的影响_马科.pdf

1 热处理温度对 合金铸锭组织及阳极氧化表面性能的影响马 科，姜星旭，杨 升，黄 鑫，李 欣，高 崇，赵丕植，马 岳，刘 辉（中铝材料应用研究院有限公司轻量化材料所，北京；北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京；中铝河南洛阳铝加工有限公司技术质量部，河南 洛阳）摘 要 为构建铝材金属组织与阳极氧化表面性能的关联性，以工业化半连续铸造工艺制备的 高纯度扁锭为对象，在 温度范围内进行热处理，再进行常规参数阳极氧化处理，通过光谱仪、扫描电镜、光学显微镜、分光测色仪、雾影仪等研究了热处理温度对金属组织和阳极氧化表面性能（粗糙度、光泽度和雾影值）的影响。结果表明：随着热处理温度升高，阳极氧化后表面粗糙度逐渐降低，光泽度和成像清晰度升高，雾影值降低。这些表面性能的变化与第二相的析出及回溶密切相关。关键词 铝合金；热处理温度；阳极氧化处理；铸锭组织；表面性能中图分类号 文献标识码 ：文章编号（），（，；，；，）：，（，），：；收稿日期 通信作者 高 崇（），高级工程师，主要从事铝合金材料研究，电话：，：前 言全球 以上的计算机、通讯和消费电子产品（以下简称“产品”）在中国进行制造和装配，铝材不仅可为 产品提供所需的强度、刚度和导热性能，而且经阳极氧化和着色处理后，可形成兼具耐磨、耐蚀和美观的阳极氧化膜，提升 产品的艺术感和科技感。产品更新迭代快，更高效、更美观、更便携、更安全已成为发展趋势，对铝材的导热性能、表面性能、强度与成形性能都提出了更高的技术指标要求。系铝合金是一种以 为主要合金元素的铝合金材料，有较高固溶度的 元素在 基体中起到固溶强化的作用，具有良好的导热性能和力学性能，尤其高纯度的 系铝材，阳极氧化后表面性能优异，能够满足 产品对表面美观性的技术需求。铝合金的金属组织及性能受均匀化、退火等热处1 理制度的影响。杨勇等研究了 铝材轧制变形过程中第二相的析出行为及其对力学性能的影响机理。徐瑶研究了 板材的强度、延伸率与冷加工率的关系，冷加工率 的合金板材在 开始再结晶。等研究了 系铝材中第二相的形成及变化规律对合金导电性能的影响，发现在 均匀化长时间处理后，共晶相成分及形貌发生变化，合金电导率得到大幅度提升。等研究了 铝合金中第二相和阳极氧化膜缺陷之间的关系，发现通过两步阳极氧化可以提高氧化膜层的有序性和均匀性。另外，大量文献研究了阳极氧化参数如电流密度、电解液种类等对铝合金阳极氧化表面性能的影响，以及铝材阳极氧化表面缺陷的改进方法，以提高 产品用铝的表面性能。但热处理制度对铝合金板材阳极氧化后表面性能的影响研究较少。本工作对高纯度的 铸锭进行了不同温度热处理，研究热处理温度对晶粒、第二相、阳极氧化表面性能（粗糙度、光泽度和雾影值）的影响，构建铝材金属组织与阳极氧化表面性能的关联性，为 产品用高光泽度的新型铝材研发提供思路。试 验 试验材料试验用高纯度的 铝合金样品为工业化半连续（）铸造工艺制备的大尺寸扁锭，厚度为 。在扁锭厚度 位置线切割出尺寸 的试样，然后采用不同温度（）对试样进行精细 热 处 理，保 温 后 在 空 气 中 冷 却。所用铝合金的化学成分（以质量分数计）如表 所示。表 铝合金化学成分（质量分数）（）元素含量余量 性能测试与表征采用 火花直读光谱仪检测扁锭截面的化学元素分布。利用 扫描电镜观察铝材中第二相特征，利用 蔡司偏振光光学显微镜观察晶粒形貌，采用 涡流电导率检测铝材电导率。试样 面为阳极氧化处理表面，首先用 号 砂纸及粗精抛将该面磨抛至镜面。采用 型直流稳压电源进行阳极氧化，电流密度为 ，氧化时间为 ，将试样作为阳极，铅板作为阴极放入烧杯中，烧杯放入装有水的浴盆，以保持阳极氧化温度恒定在 ，电解液为（质量分数）的硫酸溶液。采用 涡流测厚仪检测氧化层厚度，采用 光学轮廓仪测量氧化膜表面粗糙度，采用 雾影仪测量氧化膜表面光泽度及雾影值。结果及分析 铸锭组织与导电率图 是不同温度热处理的 铸锭组织和晶粒尺寸。从图 可以看出，铸锭组织为等轴晶晶粒，取向随机分布，经统计其平均晶粒尺寸为 。热处理 保温 后，铸锭平均晶粒取向随机分布，尺寸由 增加到 ，晶粒没有发生明显长大。图 不同温度热处理的 铸锭组织和晶粒尺寸 图 是 铝合金的 热力学模拟计算相图。图 铝合金 平衡相图 1 由图 可知，铝合金中析出的第二相有、以及 相，相的析出温度为 。图 是不同温度热处理铸锭的第二相 形貌。由图 可知，铸锭（未热处理）中存在沿晶界分布的白色相，呈条状、颗粒状或汉字状，尺寸，以及少量黑色第二相，呈条状，尺寸长短不一，有的达到几十微米（图），经 检测确认白色相为相，黑色相为 相；当热处理温度为 时，相和 相无明显变化（图，）；当热处理温度为 时，相和 相无明显变化，少量 相回溶基体（图、）。热处理温度为 时，大部分 相已回溶基体，亚稳的 相向稳定的 相发生转变（图）。图 不同温度热处理铸锭的 形貌 图 为铸锭热处理温度与导电率关系曲线。从图 可 以 看 出，随 着 热 处 理 温 度 提 高 到 时，铸锭的导电率先升高而后降低。由图 平衡相图可知，相的析出温度为 ，因此热处理温度在 时，铸锭在晶内可能弥散析出 相，导致铸锭基体固溶度降低，导电率升高；当热处理温度在 时，相逐渐回溶，导致铸锭基体固溶度升高，导电率降低。图 不同温度热处理铸锭的导电率 阳极氧化及其表面性能图 是不同温度热处理铸锭阳极氧化表面粗糙度数据。从图 可以看出，随着热处理温度的升高，铸锭阳极氧化表面粗糙度逐渐降低，未热处理铸锭阳极表面粗糙度最高为 ；热处理温度为 保温 后，铸锭阳极氧化膜表面粗糙度最低为 。图 不同温度热处理铸锭阳极氧化表面粗糙度 1 图 是不同温度热处理铸锭阳极氧化表面光泽度数据。从图 可以看出，随着热处理温度由 升高到 ，铸锭阳极氧化表面光泽度逐渐增加，角度的光泽度增加显著，由 增加到 ；角度光泽度由 增加到 。主要是因为随着热处理温度的升高，铸锭阳极氧化表面粗糙度逐渐降低，导致光泽度逐渐增加。图 不同温度热处理铸锭阳极氧化表面光泽度 图 是不同温度热处理铸锭阳极氧化表面雾影值。由图 可知，随着热处理温度由 升高到，铸锭阳极氧化表面雾影值逐渐降低。未热处理、热处理温度为 和 的铸锭阳极氧化表面雾影值较高，热处理温度在 范围内铸锭阳极氧化表面雾影值显著降低。雾影值越低的表面成像越清晰，未热处理的铸锭经阳极氧化处理，其表面成像模糊；热处理温度为 的铸锭经阳极氧化处理，其表面成像清晰。图 不同温度热处理铸锭阳极氧化表面雾影值 铸锭组织与阳极氧化表面性能的关联性为探究 铝合金铸锭组织对阳极氧化表面性能（粗糙度、光泽度和雾影值）的影响，表 列出了不同热处理温度的 铸锭组织和阳极氧化表面性能数据。从表 可知，随着热处理温度（）逐渐升高，晶界处的第二相逐渐回溶基体，导致铸锭整体上成分和电极电位更加均匀分布。因此，阳极氧化表面粗糙度逐渐降低，由 逐渐降低到。阳极氧化表面粗糙度越低，对光的反射率越高，导致阳极表面光泽度越高，由 增加到 ，雾影值由 降低到，成像更清晰。表 不同热处理温度的 铸锭组织与阳极氧化表面性能 热处理温度 晶粒尺寸 第二相晶内 导电率 粗糙度光泽度雾影值亚稳相少量无亚稳相少量析出亚稳相少量析出亚稳相少量回溶回溶 平衡相部分回溶回溶 结 论（）热处理温度影响 铸锭晶粒尺寸。随着热处理温度从 升高到 ，铸锭晶粒尺寸变化较小。（）热处理温度影响 铸锭第二相的回溶与析出。热处理温度 时，白色 相和黑色 相几乎没有变化，晶内少量弥散析出 相；热处理温度 时，相没有变化，少量相回溶到铝基体；热处理温度 时，亚稳相转化为 平衡相，大部分 相回溶到铝基体。（）热处理温度影响 铸锭阳极氧化表面粗糙度，进而影响其光泽度和雾影值。铸锭热处理温度越高，阳极氧化表面粗糙度越低，其表面光泽度越高、雾影值越低，成像越清晰。11 参考文献 杨勇，张全成，田青超 铝合金板析出相表征 轻合金加工技术，（）：，（）：徐 遥 冷加工与退火工艺对 铝合金组织及力学性能的影响 铝加工，（）：，（）：，：，：，（）：高崇，江钟宇，赵丕植，等 电流密度对 铝合金阳极氧化膜性能的影响 电镀与环保，（）：，（）：高 文，高 崇，刘 成，等 电流密度对阳极氧化处理的 铝合金厚板截面色差的影响 铝加工，（）：，（）：吴春江 铝合金阳极氧化黑条缺陷分析 铝加工，（）：，（）：编校：范宏义（上接第 页）王为政，袁 坚，李昌钦，等喷涂法制备耐磨超疏水玻璃硅酸盐学报，（）：，（）：张倩倩，石栋栋，乌冬伟，等超疏水镁合金表面制备及耐生物 腐 蚀 性 材 料 热 处 理 学 报，（）：，（）：方永勤，王庆桐，吕梦力氟硅溶胶气相纳米 复合超疏水涂层的制备电镀与涂饰，（）：，（）：陈 浩，徐行自组装超疏水涂层的制备及性能研究云南化工，（）：，（）：唐浩铭，孙国富，潘高峰，等不锈钢基超疏水表面的制备及其性能研究电镀与精饰，（）：，（）：舒忠虎，鲍江涌，陈标，等基于磁控溅射氟化改性的新型 复合超疏水涂层防冰性能研究表面技术，（）：，（）：李回归，薛朝华，贾顺田炭黑 光热超疏水涂层的制备及防冰除冰性能精细化工，（）：，（）：武壮壮，马国佳，崔向中，等微纳结构超疏水表面的浸润性及 防 冰 性 能 复 合 材 料 学 报，（）：，（）：编校：宋 媛