鋁合金與純鋁的陽極氧化特性的差異實(shí)際上反映了合金元素與雜質(zhì)元素的巨大作用,同時(shí)也反映了組織結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的巨大影響。
鋁合金陽極氧化可以有不同的目的:以提高鋁基體耐蝕性為主的保護(hù)性陽極氧化;以外觀為主要目的之裝飾性陽極氧化;以工程應(yīng)用表面耐磨為目的硬質(zhì)陽極氧化;有時(shí)還要求陽極氧化膜的著色性或保持原表面的光亮程度。一種合金不可能適合所有的陽極氧化類型;任何一種陽極氧化也不會(huì)適合所有合金。
各個(gè)鋁合金系的陽極氧化特性是不同的。這是由于合金元素在陽極氧化中起的作用不同引起的,而且這種作用往往是通過其金屬間化合物在陽極氧化中的不同化學(xué)行為體現(xiàn)的。表2所示為鋁合金中常見的金屬間化合物。這些金屬間化合物大體分為三類:第I類金屬間化合物在陽極氧化中不發(fā)生變化并摻雜到氧化膜中;第II類金屬間化合物在陽極氧化中以比鋁慢或相似的速度氧化并摻雜(或溶解)到氧化膜中;第III類金屬間化合物在陽極氧化中以比鋁快的速度氧化并摻雜(或溶解)到氧化膜中。
對(duì)于無色透明的陽極氧化膜而言,光學(xué)透明度和結(jié)構(gòu)均勻性是最基本的要求,因此了解金屬間化合物相在陽極氧化過程中的化學(xué)行為就更加重要了。在鋁合金陽極氧化過程中,第I類金屬間化合物質(zhì)點(diǎn)本身不變化而加人到氧化膜中,膜中的第二相金屬間化合物成為光吸收或光反射中心,必然會(huì)降低膜的透明度甚至使膜變灰。
組織結(jié)構(gòu)對(duì)陽極氧化的影響
就鋁合金本身而言,除了化學(xué)成分之外,對(duì)于陽極氧化質(zhì)量影響較大的就是組織結(jié)構(gòu)。而組織結(jié)構(gòu)是由加工過程決定的,因此從鑄造到加工成型整個(gè)生產(chǎn)工藝必須考慮最終產(chǎn)品表面的質(zhì)量要求。
1、熔鑄和均勻化過程中的冶金學(xué)變化
1.1熔鑄
鋁在鑄造過程中形成枝晶結(jié)構(gòu),枝晶大小取決于凝固速度。冷卻太快形成細(xì)的柱狀晶,靠近鑄錠表面通常有一層柱狀晶邊沿區(qū)域,從結(jié)晶器壁向鑄錠內(nèi)部生長粗的枝晶。在擠壓時(shí)鑄錠的粗枝晶會(huì)在型材上留下條紋。這就是說由于凝固速度不同造成的結(jié)構(gòu)差異,不可能在隨后加工中完全消除。因此鑄造過程應(yīng)該充分考慮鑄錠橫斷面上的結(jié)構(gòu)均勻性,為此,熱頂鑄造及電磁鑄造應(yīng)運(yùn)而生。
1.2鑄錠均勻化
共晶相質(zhì)點(diǎn)位于樹枝狀晶的晶間,這些第二相質(zhì)點(diǎn)的分散性與晶粒尺寸直接相關(guān),晶粒細(xì)產(chǎn)生細(xì)的質(zhì)點(diǎn)。在熔鑄的凝固期間溶質(zhì)元素的偏析引起合金化元素聚集。均勻化處理導(dǎo)致更加均勻一致的組織結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品的性能一致性。
2、加工成型過程中的冶金學(xué)變化
較大的初生相質(zhì)點(diǎn)通常是硬而脆的顆粒,通過冷或熱成形加工被破碎,破碎的質(zhì)點(diǎn)碎片重新分布。在破碎中,質(zhì)點(diǎn)的厚度一般不變,而碎片的長度減少到厚度的兩倍。由此可以看出,細(xì)晶胞結(jié)構(gòu)的意義在于初生相質(zhì)點(diǎn)本身相應(yīng)細(xì)小,加工成型的結(jié)果造成更加均勻的分布。初生相質(zhì)點(diǎn)位于晶粒和晶界,并延伸為線。變形率愈高,線靠得更緊密,而每一條線的質(zhì)點(diǎn)數(shù)較少。在擠壓時(shí)坯料表面與擠壓筒間的摩察使金屬變形呈復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài),擠壓材的表面大量來自于鑄錠內(nèi)部的金屬,在某些位置(取決于模具的尺寸和形狀)明顯偏析的材料會(huì)流到擠壓材的表面,從而在陽極氧化后產(chǎn)生條紋。以擠壓為例,許多擠壓參數(shù)在擠壓過程中有待控制,以得到最佳表面質(zhì)量。這些參數(shù)包括壓余長度、坯料溫度、擠壓筒溫度、擠壓速度、模具設(shè)計(jì)和擠壓后的冷卻強(qiáng)度等。
3、表面狀態(tài)對(duì)陽極氧化的影響
陽極氧化膜的外觀與氧化之前的表面狀態(tài)息息相關(guān),而化學(xué)預(yù)處理(尤其是堿洗和化學(xué)拋光)決定著表面狀態(tài)。當(dāng)然,化學(xué)預(yù)處理后的表面狀態(tài)本質(zhì)上還是取決于基體的顯微結(jié)構(gòu),金屬間化合物的類型、大小和分布,以及晶粒尺寸及其取向。而這些又與合金成分及加工工藝有關(guān)。
3.1堿腐蝕
在建筑用鋁板和鋁型材的陽極氧化中,堿腐蝕是最基本和最重要的預(yù)處理手段。堿腐蝕得到無光緞面的細(xì)致腐蝕表面,這是高比例漫反射的結(jié)果。表3為鋁合金中金屬間化合物顆粒在堿腐蝕時(shí)的電化學(xué)特性。不同的金屬間化合物,甚至粒度不同的同一化合物也會(huì)有完全不同的電化學(xué)特性。鋁合金中由于金屬間化合物第二相的存在形成表面腐蝕坑的機(jī)理有兩種:第二相作為陰極(如從Fe)使得顆粒周圍的鋁基體優(yōu)先溶解;第二相金屬間化合物顆粒相對(duì)于鋁基體是陽極(如MgzSi)而優(yōu)先溶解。
鋁合金中第二相金屬間化合物的存在,不論其相對(duì)于鋁基體是陰極還是陽極,在堿腐蝕時(shí)表面都會(huì)形成腐蝕坑,從而產(chǎn)生無光的漫散射表面。前者由于第二相周圍的鋁的局部溶解形成腐蝕坑;后者由于中間化合物的直接溶解而形成腐蝕坑。因此我們可以預(yù)計(jì),化學(xué)或電解拋光的光亮效果很難在多相鋁合金的陽極氧化后體現(xiàn)。
3.2光亮化預(yù)處理
光亮化表面處理的鋁基體純度應(yīng)達(dá)到99.85%以上,因此需要注意生產(chǎn)的全過程,從氧化鋁原料的質(zhì)量、重熔鋁錠的冶金過程,直到加工成型的所有工序如熔鑄、擠壓(或軋制)等。工業(yè)用光亮表面的鋁合金雖已開發(fā)出來,但是不能不承認(rèn)在化學(xué)拋光過程中,表面光亮度還是隨鋁純度的提高而增加。