6063鋁合金型材“閃爍花紋”的成
來源：中國鋁材信息網(wǎng)
發(fā)布時間：2007/9/7 8:49:03
1 前言
在6063鋁合金建筑裝飾型材的生產(chǎn)中，常會見到一些空心、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)過硫酸陽極氧化生產(chǎn)工藝處理后，其表面局部會出現(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沿擠壓方向，尾部比頭部更明顯可見，嚴(yán)重時，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，就會看到“閃爍花紋”的存在。筆者對擠壓材的擠壓組織進(jìn)行分析，結(jié)果表明：“閃爍花紋”對應(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)的陽極性[3]。
研究結(jié)果表明：“閃爍晶?！钡木Ы缂捌涓浇鼌^(qū)域中的含Zn量相對偏高，即Zn參與了腐蝕過程。文獻(xiàn)[4]推測：Zn是以“溶解－再沉積”的方式促進(jìn)晶界腐蝕的。堿洗時，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，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(陽極相)和FeAl3(陽極相)，當(dāng)wFe≥wSi時，有α－(Al－Fe－Si)(陽極相)；當(dāng)wFe≤wSi時，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)符合國際GB3190－82之規(guī)定，并且要求按wFe∶wSi=1.73∶1相對過剩的Si元素的過剩量不大于0.20%。而在6063鋁合金型材(RCS狀態(tài))的堿蝕處理過程中，當(dāng)其他條件具備時，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，合金中Zn的含量對空心型材的影響要比它對實(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]：低層錯能的金屬(如α－Al)在擠壓(ε=90%)時，只發(fā)生動態(tài)回復(fù)，而后會發(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)散遷移過程。這與原子擴(kuò)散所需的化學(xué)勢有關(guān)，且需要在較高的溫度下才能順利進(jìn)行。當(dāng)溫度過低時，擴(kuò)散不宜進(jìn)行，使“回復(fù)”和“再結(jié)晶”過程受到抑制。
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)生了動態(tài)回復(fù)或靜態(tài)回復(fù)的加工組織。經(jīng)人工時效處理后，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，就可能發(fā)生“靜態(tài)再結(jié)晶”及“再結(jié)晶晶粒長大”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。沿擠壓方向上的粗晶環(huán)厚度的分布規(guī)律是：頭部薄、尾部厚；嚴(yán)重時會在全斷面上出現(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]
某些擠壓材經(jīng)硫酸脫脂并水洗后，表面無異常變化，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，就會看到“閃爍花紋”的存在。筆者對擠壓材的擠壓組織進(jìn)行分析，結(jié)果表明：“閃爍花紋”對應(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)的陽極性[3]。
研究結(jié)果表明：“閃爍晶?！钡木Ы缂捌涓浇鼌^(qū)域中的含Zn量相對偏高，即Zn參與了腐蝕過程。文獻(xiàn)[4]推測：Zn是以“溶解－再沉積”的方式促進(jìn)晶界腐蝕的。堿洗時，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，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(陽極相)和FeAl3(陽極相)，當(dāng)wFe≥wSi時，有α－(Al－Fe－Si)(陽極相)；當(dāng)wFe≤wSi時，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)符合國際GB3190－82之規(guī)定，并且要求按wFe∶wSi=1.73∶1相對過剩的Si元素的過剩量不大于0.20%。而在6063鋁合金型材(RCS狀態(tài))的堿蝕處理過程中，當(dāng)其他條件具備時，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，合金中Zn的含量對空心型材的影響要比它對實(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]：低層錯能的金屬(如α－Al)在擠壓(ε=90%)時，只發(fā)生動態(tài)回復(fù)，而后會發(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)散遷移過程。這與原子擴(kuò)散所需的化學(xué)勢有關(guān)，且需要在較高的溫度下才能順利進(jìn)行。當(dāng)溫度過低時，擴(kuò)散不宜進(jìn)行，使“回復(fù)”和“再結(jié)晶”過程受到抑制。
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)生了動態(tài)回復(fù)或靜態(tài)回復(fù)的加工組織。經(jīng)人工時效處理后，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，就可能發(fā)生“靜態(tài)再結(jié)晶”及“再結(jié)晶晶粒長大”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。沿擠壓方向上的粗晶環(huán)厚度的分布規(guī)律是：頭部薄、尾部厚；嚴(yán)重時會在全斷面上出現(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]
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