鋁合金板材陽極氧化材料線缺陷的形成原因及改進措施研究

劉 旺，陳 婷，付海朋

（1.重慶國創輕合金研究院有限公司，重慶 404100；2.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110004）

0 前言

鋁的化學性質較為活潑，在空氣中會形成一層致密的氧化膜，可起到隔絕空氣的保護作用[1]。但此薄膜耐蝕性較差，因此需要進行人工陽極氧化處理，促使鋁制品表面形成一層致密、高強、耐磨的陽極氧化膜[2-3]。陽極氧化后的鋁制品美觀耐用，已經廣泛用于手機、筆記本電腦等電子產品外殼。但正因為其用于電子產品的外觀件，陽極氧化后產生的一種線狀缺陷會影響產品質量。這種線狀缺陷稱為材料線，是眾多企業希望攻關解決的重要質量問題[4-5]。

1 陽極氧化材料線形貌及成分分析

采用配有能譜分析儀的Zeiss EVO MA 10/LS 10型號鎢燈絲掃描電子顯微鏡，對0.6 mm厚的5052-H32狀態鋁合金板材陽極氧化后出現的材料線進行分析，找到原因所在。

光鋁上未見明顯異常的板面，經陽極氧化后可能出現短道的線條，其形貌如圖1所示。

圖1 陽極氧化材料線宏觀形貌

將從不同板材上取得的陽極氧化材料進行線上掃描電鏡分析，其成分有所區別，部分含有Al、Mg、O元素，其掃描電鏡形貌如圖2所示，其元素組成如表1所示。

表1 材料線缺陷種類一的元素組成

圖2 材料線缺陷種類一

在部分材料線中檢測到了較高含量的Ti 元素，其形貌如圖3所示，元素組成如表2所示。

表2 材料線缺陷種類二的元素組成

圖3 材料線缺陷種類二

此外還在少量材料線中發現含Si量較高的氧化物，其形貌如圖4所示，元素組成如表3所示。

表3 材料線缺陷種類三的元素組成

圖4 材料線缺陷種類三

因此，從多次檢測結果來看，鋁合金板材陽極氧化后的材料線缺陷均是由于有異物夾渣在板面上造成的。

2 材料線形成原因分析

從發現的材料線形貌及成分來看，材料線主要是由于異質點夾渣在板面上，經軋制拉長，以及陽極氧化后缺陷放大顯現出來造成的。下面分析這些異質點的形成原因。

Al、Mg、O夾渣物是含鎂鋁合金板帶材中最容易出現的夾渣物之一。主要是因為Mg 性質活潑易氧化，且MgO 易破壞鋁熔體表面致密的氧化鋁膜，導致熔體進一步氧化夾渣[6]。這些MgO 夾渣若不能很好地被在線處理系統過濾而流入鑄錠當中，軋薄過程中夾渣點可能會浮凸于表面，并隨著軋制拉長，從而在陽極氧化后形成長條線狀缺陷。本次發現Al、Mg、O材料線的5052合金批次其Mg含量為2.3%～2.6%。另外，使用的深床過濾器全生命周期允許最大金屬通過量4 000 t，生產此批次合金時已通過金屬量超2 800 t，因此可確定是由于過濾器的過濾能力下降，使MgO 夾渣進入鑄錠中導致了陽極氧化材料線缺陷。

含Ti 的材料線中很少發現伴隨有Fe 元素，因此可完全排除其為軋輥脫落物的可能，確認其是在熔鑄過程中形成的。根據熔鑄生產特點，含Ti夾渣物主要來源于熔煉保溫爐內加入的鋁鈦中間合金或在線流槽添加的細化晶粒用鋁鈦硼絲。Ti與B形成的TiB2化合物尺寸較小，一般為1～5 μm，在凝固時起形核作用[7-8]。陽極氧化鋁板對材料表面的細膩度要求高，粗晶或個別大晶粒，容易造成材料表面色差。因此，細化晶粒是陽極氧化鋁板用鑄錠生產的關鍵，本次生產5052 陽極氧化料Ti 含量控制在0.018%~0.025%之間。但TiB2顆粒易聚集，聚集后的TiB2團實際成為了夾渣物的一種。這些團聚夾渣物大部分被熔體在線處理過濾器所過濾，但有少量的漏過或是從過濾器中被熔體沖刷而出進入鑄錠中，便成為了大顆粒夾渣物，在后續的軋制中，成為拉長的條紋狀，經陽極氧化后顯現出來成為材料線缺陷。

含Si的材料線缺陷有兩種來源：一是在冷軋過程中，若軋制油清潔度不高，軋制油中懸浮有硅藻土顆粒，則有很大的可能造成含Si異質顆粒壓入板面；二是在熔鑄工序中，目前大部分廠家所使用的在線流槽或控流桿等耐火材料的含Si量都較高，在含有較高Mg 的鋁熔體侵蝕下極易被腐蝕剝落，從而進入熔體中形成夾渣物。鑄錠經軋制后減薄，導致夾渣物破碎后浮凸于板面之上，也會形成含Si的材料線。本次發現的含Si材料線，異物顆粒均鑲嵌于板面之上，斷面中未發現鑲嵌于鋁板內部的異物顆粒，可明確為軋制過程中的外部異物壓入。

3 材料線缺陷解決措施

針對材料線形成原因分析得到的結果，為了解決材料線缺陷，本研究制定了相應的解決措施。

（1）含Mg 夾渣是所有含Mg 鋁合金產品中均易出現的缺陷。為了減少這種缺陷出現的概率，在熔煉保溫爐中就應該確保熔體的潔凈度。首先需從加強精煉扒渣以及爐組熱清潔工作入手。在生產陽極氧化材產品時，每次生產前熔體表面浮渣應該扒干凈。在每鑄次生產完空爐后，應對爐膛內進行進一步的熱清理，將爐壁及爐底的積渣扒干凈，這樣可大大提高原始熔體的潔凈程度。其次，在提高原始熔體純凈度的同時，還應該加強在線處理階段熔體過濾能力。一般采取的辦法是采用深床過濾等高等級的過濾方式，并加強工藝控制。在生產5052陽極氧化料前，深床不允許通過Mg 含量超過5052的其他合金，并嚴格將生產陽極氧化坯料的金屬通過量控制在300～1 500 t 這個深床過濾能力較佳的時期。此外在生產過程中，還應加強過程監控，輔以在線或離線測渣儀對熔體質量進行定量檢測和把控。

（2）TiB2團聚夾渣也是在熔體中常見的夾渣缺陷之一，過度減少熔體中的Ti加入量又將造成鑄錠晶粒粗大的問題，由此導致中間相化合物粗大也將影響到產品質量。因此在實際的生產中，按減少熔煉保溫爐中鋁鈦中間合金添加量，保證在線處理鋁鈦硼絲加入量的原則，將最終產品Ti含量降低到0.008%~0.015%之間，經過實踐既保證了晶粒度，又減少了TiB2團聚夾渣出現的概率。

（3）含Si 的材料線缺陷控制。在冷軋工序中，應加強對軋制油清潔度的把控，軋制油透光率應控制在85%以上，同時對軋制油膠質含量控制在300×10-6以下，以減少含Si異質顆粒殘留壓入板面的可能。為提前規避熔鑄工序產生含Si夾渣，須加強生產中的流槽清潔和與鋁水直接接觸的耐火材料的維護保養。尤其是當流槽開裂或破損后應及時更換，否則其破損的縫隙易被鋁液滲入導致裂紋或破損加劇，大量的耐火材料脫落物將混入熔體導致含Si夾渣。此外，在耐火材料的選用中，還可適當地考慮采用高Al2O3含量的耐火材料，可以有效地抵御Mg元素的侵蝕，減少剝落物混入熔體夾渣的可能。

4 結論

本文通過對鋁合金板材陽極氧化后材料線的分析，得到以下結論：

（1）鋁合金板材陽極氧化材料線主要為含Mg夾渣材料線、含Ti 夾渣材料線及含Si 夾渣材料線三類。

（2）通過選擇合適的熔鑄工藝控制、把控熔體清潔度、及時清理維護設備以及選用合適的耐火材料，可以杜絕大部分材料線缺陷。

（3）嚴格控制冷軋機列油品清潔度，可以進一步減少材料線缺陷出現的概率。