6063铝合金型材“闪烁花纹”的成因及对策

1　前言

　　在6063铝合金建筑装饰型材的生产中，常会见到一些空心、半空心的，甚至是一些断面曲率较大的实心的挤压材，经过硫酸阳极氧化生产工艺处理后，其表面局部会出现一种沿纵向连续分布的，具有一定宽度的显示为粗糙不平(似梨皮状)的，清晰可见的闪烁晶粒状的表面缺陷—“闪烁花纹”(或称“光亮花样”)。其分布规律是：①沿挤压方向，尾部比头部更明显可见，严重时，首尾都很明显；②沿垂直于挤压轴线的方向，“花纹”一般只出现在局部，尤其出现在型材曲率较大的部位，或是空心、半空心型材的焊缝区域，或是在型材的形成过程中6063铝合金承受摩擦阻力最大的部位。

2　成因分析

　　2.1　氧化前处理工艺的影响
　　某些挤压材经硫酸脱脂并水洗后，表面无异常变化，而当其在wZn2＋≥4×10－6的碱蚀液中经正常的浸蚀并随后立即有效水洗后，就会看到“闪烁花纹”的存在。笔者对挤压材的挤压组织进行分析，结果表明：“闪烁花纹”对应的组织是晶粒度比正常部位的大得多的粗大等轴晶的再结晶组织——粗晶环，且晶粒越粗大，“闪烁花纹”越明显；这种现象也随着浸蚀的进行而越来越明显。
　　文献<1>指出：“闪烁花纹”的形成除了与合金成分(尤其是Zn)、挤压材(RCS状态)的组织状态有关外，还与碱蚀液中有关。实验证明：在合金中，当wZn≥0.033%，且型材表面存在粗晶环的前提下，只要碱蚀液中wZn2＋≥4×10－6，就会产生“闪烁花纹”。
　　产生“闪烁花纹”的根本原因是碱蚀液中Zn污染引起的选择性晶间腐蚀<2>。晶间腐蚀的机理是电化学的，是晶界内的局部原电池作用的结果。沿晶粒边缘沉淀析出的第二相Mg2Si与贫乏的固溶体之间由于腐蚀电位的不同，在碱蚀电解质溶液中，形成了原电池α－Al－Mg2Si。在实际生产中，一般都要求Si的含量过剩，则其晶间腐蚀敏感性增大，因为位于晶界及其附近区域的游离硅具有很强的阳极性<3>。
　　研究结果表明：“闪烁晶粒”的晶界及其附近区域中的含Zn量相对偏高，即Zn参与了腐蚀过程。文献<4>推测：Zn是以“溶解－再沉积”的方式促进晶界腐蚀的。碱洗时，固熔于α－Al中的Zn随α－Al的溶解而溶解；当槽液中wZn2＋≥4×10－6时，发生反应：Al＋Zn2＋→Zn＋Al3＋，单质Zn有选择地在阴极性区域沉积，进一步加剧了局部腐蚀。
　　2.2　铸锭质量的影响
　　我们知道；6063铝合金的主要相组成为：游离Si(阳极相)和FeAl3(阳极相)，当wFe≥wSi时，有α－(Al－Fe－Si)(阳极相)；当wFe≤wSi时，有β－(Al－Fe－Si)(阴极相)。实际生产中，要求6063合金的成分应符合国际GB3190－82之规定，并且要求按wFe∶wSi=1.73∶1相对过剩的Si元素的过剩量不大于0.20%。而在6063铝合金型材(RCS状态)的碱蚀处理过程中，当其他条件具备时，只要合金中wZn≥0.03%，就可能产生“闪烁花纹”缺陷；并且这种缺陷的清晰程度随合金中Zn含量的增加而增大。特别应该指出的是：在相同条件下，产生“闪烁花纹”缺陷时，合金中Zn的含量对空心型材的影响要比它对实心型材的影响更明显。
　　2.3　挤压－热处理工艺因素的影响
　　文献指出<5>：低层错能的金属(如α－Al)在挤压(ε=90%)时，只发生动态回复，而后会发生静态回复和静态再结晶。纯铝的再结晶温度约为280℃，而6063铝合金的再结晶温度为320℃左右。我们知道：无论是“回复”还是“再结晶”都是原子在固相中的扩散迁移过程。这与原子扩散所需的化学势有关，且需要在较高的温度下才能顺利进行。当温度过低时，扩散不宜进行，使“回复”和“再结晶”过程受到抑制。
　　由上述理论可知：在正常的工艺条件下生产RCS状态的6063铝合金挤压型材，在经挤压－淬火处理后，其组织为：Mg、Si等元素的原子固溶于α－Al中而形成过饱和铝基固溶体以及游离Si单质等，晶粒细小且均匀分布，成为只发生了动态回复或静态回复的加工组织。经人工时效处理后，6063铝合金型材的主要相组成为：α－Al，游离Si，主要强化相Mg2Si，等等。组织状态为：细小的Mg2Si晶粒弥散均匀分布于α－Al基体中，而游离Si分布与晶界及其附近区域。而当生产条件控制不当(如淬火冷却强度不足)时，就可能发生“静态再结晶”及“再结晶晶粒长大”而形成粗晶环。
　　粗晶环的分布规律是：靠近挤压筒壁的部分出现较厚粗晶环；模具工作带磨擦阻力较大的部分具有较厚粗晶环；较厚粗晶环处的晶粒比较粗大。沿挤压方向上的粗晶环厚度的分布规律是：头部薄、尾部厚；严重时会在全断面上出现粗晶组织。粗晶环的最大深度为：2.0－2.5mm。
　　粗晶环的形成机理是<6>：粗晶环产生的部位常常是金属材料承受剧烈附加剪切变形的部位。在软铝合金(如6063合金)空心、半空心型材的挤压过程中，其外层晶粒承受较内部更加剧烈的附加剪切变形，且沿挤压方向上尾部较头部的要剧烈的得多，承受外摩擦强烈且摩擦时间长的部位的金属附加剪切变形较大。其晶粒的破碎和晶格畸变的程度也比较剧烈。因此，该部位金属处于热力学不稳定状态，界面能高，从而降低了该部位的再结晶温度(这个温差约为35℃)，使晶粒形核长大的驱动力提高。同时由于剧烈摩擦部位金属的温度急剧升高，在风冷却不及时或冷却强度不足时，挤压时析出的部分弥散质点(如MnAl6 CrAl7等)重新溶于固溶体α－Al内，阻碍再结晶的条件消失，也使再结晶温度下降，再结晶形核、长大的驱动力提高。
　　由此可见：当6063铝合金挤压温度偏高，挤压速度过快，模具局部工作带过长，使合金型材流出模孔温度偏高而又未及时风冷至250℃以下时，就易发生局部的静态再结晶及再结晶晶粒的聚集长大，这就产生了粗晶环。
　　粗晶环的存在，为“闪烁花纹”的形成创造了组织上的客观条件。

3　预防措施

　　由于“闪烁花纹”缺陷的存在，造成大量工艺废品，给企业生产经营带来重大损失。因此，必须针对具体成因而采取具体的预防措施，防止这种表面缺陷的产生。
　　①根据挤压材表面有无粗晶环及粗晶的大小，在生产工艺规程规定的范围内，调整生产工艺控制参数，尽量减小粗晶环对氧化材表面质量的影响。
　　②选择性能优良的碱蚀添加剂。当碱蚀液中偏高时，应及时向槽液中补加过量NaS或多硫化钠。
　　③根据下列处于工作温度下的电离平衡方程式：Zn2＋＋2OH－Zn(OH)22H＋＋Zn，为了抑制Zn2＋的不良影响，可以增大游离NaOH的浓度，从而降低Zn2＋的浓度，从而使wZn2＋<3×10－6。或者采用先排放一部分旧槽液，再补充相当量的新槽液，亦可使得wZn2＋<3×10－6。
　　④依据国际GB3190－82之规定，从企业生产的实际出发，制定一个适合本企业情况的6063铝合金成分的企业标准。严格控制Si、Fe、Mg、Zn的含量，要求Si的含量相对于wMg∶wSi=1.73∶1所要求的含Si量过剩，但过剩量不大于0.20%；wZn2＋≤0.050%；要进行铸锭的均化退火处理，消除偏析现象。
　　⑤调整模具结构，减小局部的剧烈摩擦缩短相应部位工作带的长度，加大空刀斜度或保证工作带平面与空刀斜面结合处的高度差不小于0.5mm，调整分流孔的布置或第一分流比K1的大小及模桥断面下端的形状尺寸，减小两股金属在焊和室上部相遇时的相对摩擦力。
　　⑥调整铸，锭挤压筒等的加热温度，挤压温度和挤压速度的控制参数，严格控制淬火冷却工艺，避免静态再结晶的发生。

4　结束语

　　综上所述，“闪烁花纹”的形成是有规律的，其影响因素也不是单一的。在生产中，不同企业应从实际出发，具体问题具体分析，采取恰当措施解决具体问题，提高经济效益。