| 摘要：在6063鋁合金建筑裝飾型材的生產(chǎn)中，常會(huì)見(jiàn)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(guò)硫酸陽(yáng)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)硫酸陽(yáng)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(jiàn)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(jiàn)，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(guò)程中6063鋁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(wú)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(lái)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(guò)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(yáng)極性[3]。
研究結(jié)果表明：“閃爍晶粒”的晶界及其附近區(qū)域中的含Zn量相對(duì)偏高，即Zn參與了腐蝕過(guò)程。文獻(xiàn)[4]推測(cè)：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(yáng)極相)和FeAl3(陽(yáng)極相)，當(dāng)wFe≥wSi時(shí)，有α－(Al－Fe－Si)(陽(yáng)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(guó)際GB3190－82之規(guī)定，并且要求按wFe∶wSi=1.73∶1相對(duì)過(guò)剩的Si元素的過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)程。這與原子擴(kuò)散所需的化學(xué)勢(shì)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(guò)低時(shí)，擴(kuò)散不宜進(jìn)行，使“回復(fù)”和“再結(jié)晶”過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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�，承受外摩擦�?qiáng)烈且摩擦?xí)r間長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力提高。
由此可見(jiàn)：當(dāng)6063鋁合金擠壓溫度偏高，擠壓速度過(guò)快，模具局部工作帶過(guò)長(zhǎng)，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(zhǎng)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(yíng)帶來(lái)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(wú)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(guò)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。或者采用先排放一部分舊槽液，再補(bǔ)充相當(dāng)量的新槽液，亦可使得wZn2＋<3×10－6。
�、芤罁�(jù)國(guó)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(guò)剩，但過(guò)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。
⑤調(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(zhǎng)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(yǔ)
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(wèn)題具體分析，采取恰當(dāng)措施解決具體問(wèn)題，提高經(jīng)濟(jì)效益。 |
