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發布時間：2021-09-07 21:02
技術丨鋁型材6063氧化外觀不良表面斑點陰陽色怎么改善？
生活水平的提高，鋁合金門窗、鋁合金幕墻的使用越來越普及，然而不少的鋁合金在使用一段時間以后，表面出現形態各異的腐蝕缺陷，其中斑點腐蝕較為常見，嚴重影響鋁型材的使用性能及裝飾效果。
為了合理改善鋁型材的表面質量，達到控制表面斑點腐蝕的目的，很有必要對斑點缺陷做深入細致的分析。本文以6063鋁型材經陽極氧化后表面出現的斑點腐蝕為研究對象，分析斑點腐蝕的本質、成因及生成機理，探討產生斑點腐蝕的關鍵因素。
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斑點腐蝕的本質分析
由所使用的6063鋁型材成分可知，為了確保Mg元素充分形成強化相Mg2Si，一般在配制合金成分時人為的使Si元素適量過剩。因為隨著Si含量的增加，合金的晶粒變細，熱處理效果較好。但另一方面，Si的過剩也有面作用，使合金的塑性降低，耐蝕性變壞。
研究表明：過剩Si不僅能形成游離態的Si相，還會與基體形成α相（Al12Fe2Si）和β相（Al9Fe3Si2），這樣在鋁合金中存在游離態的Si相、α相（Al12Fe2Si）、β相（Al9Fe3Si2）等陰極相粒子和陽極相Mg2Si粒子。α相和β相對合金的腐蝕性能影響很大，尤其是β相能顯著降低合金的腐蝕性能。
斑點處殘留物的成分主要是游離Si相和AlFeSi相，同時發現氯元素在殘留物處也發生了吸附，這說明Cl-參與了腐蝕過程。腐蝕區中鋅元素含量較基體高得多，說明合金中的雜質元素鋅也參與了腐蝕過程。
陽極氧化工序中，陽極相Mg2Si是合金的點蝕源。在陽極氧化堿洗時，Mg2Si粒子優先溶解而形成蝕坑，其中鎂溶解在溶液中而硅在鋁合金上殘留下來，當蝕坑聚集在晶粒上就會使該晶粒顏色發暗。在硫酸中和工序中硅不易除去，故斑點腐蝕蝕坑底部硅含量較其他區域高。
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斑點腐蝕的成因分析
影響斑點腐蝕的主要因素有預處理過程中的堿洗溫度、堿洗時間以及合金成分中的Zn、Fe、Si元素含量與合金的擠壓狀態等。在諸多因素中，擠壓狀態起著關鍵性的作用，它關系到對腐蝕性能有較大影響的Zn、Fe、Si等元素的分布，以及金屬鍵間化合物等粒子的析出位置。
在較粗的擠壓條紋區中，斑點腐蝕分布具有明顯的方向性，因為這個區域擠壓時阻力較大，應力多在此集中，該處金屬的晶格發生嚴重畸變，成為局部高自由能區，在隨后的再結晶過程中優先形核，為了降低界面能和處于穩定態，此處晶粒不僅異常長大，而且Mg2Si陽極相、游離Si、FeSiAl、FeAl3等陰極相優先析出，為后續的斑點腐蝕創造了條件。
由于上述原因，在析出游離Si、FeSiAl、FeAl3等金屬問化合物的晶界附近出現硅鐵元素的貧乏區，此區近乎為純鋁，電位為負是陽極，它與金屬間化合物（是陰極）構成了微電池，在腐蝕介質的作用下，微電池中陰極相（如游離Si、FeSiAl、FeAl3）周圍的Si、Fe貧乏區（是陽極相）優先溶解，而Mg2Si也發生溶解，結果陽極相周圍Al的溶解形成了帶有殘留物的腐蝕坑，陽極相溶解則形成沒有殘留物的腐蝕坑。
當腐蝕條件繼續惡化（如溫度上升、堿洗時間長等）的情況下，基體Al繼續溶解，腐蝕坑向深的方向發展，于是表面形貌就表現為部分帶有殘留物的腐蝕坑和部分無殘留物的腐蝕坑，由二者構成了前面所述的斑點腐蝕。
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斑點腐蝕生成機理分析
6063是Al-Mg-Si系合金，Mg2Si的時效強化相。為提高合金強度，生產中常使Si元素含量過剩，由過剩Si便形成了游離Si、FeSiAl相粒子。這些粒子在擠壓工藝不當及熱處理不規范的情況下，可能導致與FeAl3、Mg2Si粒子一起在晶界處偏聚（或偏析），這就構成了點蝕源。
根據腐蝕學理論，陰極質點周圍的陽極鋁會優先腐蝕，生成的Al3 向陰極擴散，而溶液中的OH-向陽極擴散，終在陰陽極的界面沉淀出白色絮狀的Al（OH）3，干涸后在鋁材的表面構成白點。即所謂的斑點腐蝕。相應的化學方程式如下：
Al→Al3 3e（陽極）
Al3 3OH-→Al（OH）3↓（陰極）
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活性元素的影響
4.1
Zn元素的加速作用
固溶在鋁合金中的鋅以“溶解-再沉積”的方式加速晶粒腐蝕，合金表面上沉積的鋅或鐵以及高電位脫溶物FeSiAl和游離硅等陰極性粒子能起到有效的陰極作用，加快溶解氧的還原過程，促進腐蝕不斷擴展、加深。
Zn元素堿洗時隨Al的溶解而以Zn（OH）42-和Zn（OH）-3的形式溶于堿液中。又因為Zn的電位（-0.76V）較Al的電位（-1.67V）正，當堿液中Zn離子的濃度增至一定數值時，Zn就會選擇性地沉積在腐蝕坑中的殘留物上，所以會出現Zn元素偏高的異常現象。另一方面，由于Zn、Al二者的電位差較大，導致微電池中的腐蝕電流很大，陰極性粒子Fe、Si貧乏區（基本為純鋁）溶解較快，這種腐蝕終表現為斑點腐蝕。
4.2
Cl-的活化作用
作為外部因素的Cl-對斑點腐蝕非常敏感，具有誘發、加重點蝕的作用。研究結果發現，脫脂酸中的Cl-會在鈍化膜缺陷處吸附，并穿透鈍化膜吸附于基體上。
此處的鋁元素由于被活化而迅速溶解，于是鈍化膜被破壞，形成電偶電池結構，在酸性介質的作用下，局部腐蝕電流較大，此時Cl-與溶解的A13 發生如下絡合反應：Al3 Cl- H2O→AlOHCl H ，使溶液的酸性進一步加強，腐蝕條件更加惡化。
當Cl-濃度時，絡合反應向右進行，鈍化膜上的活性點會大大增加，在隨后的堿洗過程中優先溶解，從而出現較為嚴重的斑點腐蝕。
4.3
pH值的促進作用
水洗水中的pH值小于2或者大于4時，很少發生斑點腐蝕。顏色發暗時的晶粒由灰色向黑色轉變過程中，水洗槽中的pH值起到了一定的促進作用。
當水洗水中pH＞4時，鋁型材表面形成的鈍化膜比較完整、致密，H 、Cl-的吸附、活化、破壞作用大大減弱，故型材很少甚至沒有腐蝕發生；當pH＜2時，鋁型材表面處于活性溶解狀態，無鈍化膜形成，所以也不會出現斑點腐蝕。
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結論
6063鋁型材斑點腐蝕是因鋁合金中陽極相Mg2Si的偏析、粗化引起的，而合金中雜質元素Zn及溶液中Cl-和pH值加速了斑點腐蝕的發生與發展。
應適當調整合金中的鎂硅元素質量比，不宜使硅元素含量過高，并合理安排時效制度以防止Mg2Si粒子的偏聚，以免影響鋁型材的腐蝕性能。
控制合金中微量元素Zn以及處理過程中溶液的Cl-濃度和pH值，減輕活性元素的面影響。
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鋁型材鑲嵌合金模具設計方法及分析
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模具設計原理
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模具設計分析
4.1 上模設計
從圖2中可知，分流組合模上模的型芯是凸在上模基體外側的，基根部與基體相連接，因此，在上模基體與型芯相連接的模體部分必然是一個實體。為了實現上模型芯與基體以鑲嵌的形式相連接，在與型芯根部相連接的基體療分設計出一個階梯式方孔，如圖5所示，將上模型芯部分設計成如圖6所示的與上模本體鑲嵌的形式，基根部設計成方形，與基體上相對應的方孔按H8/r7的配合形式設計，這樣就使上模型芯與上模本體間以過渡配合的形式相連接。方形的設計可以有效地防止鑲塊在基體中轉動。
▲圖5 鑲嵌式上模
▲圖6 上模鑲塊
由于分流組合模在工作時，鋁料是從流口方向進入模腔的焊合室內，為了防止型芯在強大的擠壓力作用下，沿工作壓力方向被擠出上模基體，將上模本體設計成形式的方孔，同時設計了如圖7所示的堵板，使之與上模型芯鑲塊之間用螺栓連接，確保上模型芯鑲塊在擠壓時不至于從上模本體中擠出，更換時只需取下堵板和螺栓，即對型芯進行更換，簡便易操作。
▲圖7 堵板
4.2 下模設計
對于下模的可互換式設計，其設計方案要比上模簡單，且容易加工。由于下模型孔是在焊合室平面內加工成形的，因此，根據工作時的受力特點，在設計下模時，將焊合室底面設計成如圖8所示的階梯形式，與之相配合的下模型孔也設計成相對應的階梯形式，如圖9所示。在下模基體與型孔鑲塊相配合處采用H8/r7的過渡配合形式。這種階梯式的設計方案，可以有效地避免型孔鑲塊在擠壓時從下模基體內擠出。在裝配時下模鑲塊可直接沿階梯方向裝入下模基體即可，不需進行其它形式的連接即可使用，使之容易拆卸更換。
▲圖8 鑲嵌式上模
▲圖9 下模鑲塊
▲圖10 本廠上模鑲合金塊
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結論分析
這種分流組合模互換式的設計方案，不論是方管還是圓管系列都可以采用此設計思路，即可減少和避免大量的材料浪費，還可縮短模具的加工周期，提高模具的加工速度，為生產贏得寶貴的時間。這種設計方案只適用于單型芯的分流組合模的設計，對于多型芯的分流組合模，還可以采用半嵌入式，鋁型材工模具設計與生產工藝從型芯代面固定的設計方案。對于上模鑲合金模具耐磨且生產產量高，不易磨損掉并且模具使用周期長，壽命高。
鋁型材擠壓模具的合理使用、維護及管理5
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模具使用上采用由低到高再到低的使用強度。
模具剛進入服役期時，內部金屬組織性能還處于浮動階段，在此期間應采用低強度的作業方案，以使模具向平穩期過渡。
模具使用中期，由于模具的各項性能已基本處于平穩狀態，類似與剛過磨合期的汽車，可適當提高使用強度。
到后期，模具的金屬組織已經開始惡化，疲勞強度，穩定性和韌性經過長期的生產服役已經開始走入下降曲線，此時應適當降低模具的使用強度直至模具報廢。
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加強模具在擠壓生產過程中的使用維護記錄，完善每套模具的跟蹤記錄檔案和管理。
擠壓模具從入廠驗收到模具使用結束報廢，這中間時間短則幾個月，長的達一年以上。基本上來講，模具的使用記錄也記載著型材生產的各個過程。
擠壓模具數量大、品種多，對每套模具的使用過程進行管理，有利于幫助模具庫管理員、模具使用者和模具設計制造人員了解每套庫存模具的真實情況。模具的跟蹤記錄包括：
（1）模具的制造信息，包括每套模具的設計圖紙，制作記錄、檢驗記錄（精度值，硬度值）等。
（2）模具每次上機擠壓的工藝信息，如加溫時間、鋁棒溫度、模具溫度、擠壓速度、擠壓力、突破壓力、鋁棒長度、合格品支數、型材線密度、成材率等。
（3）每套模具的次修模方案、氮化處理時間、出入模具庫時間、報廢或返回模具廠維修的時間和原因等，這些記錄的收集對改進模具管理、核算模具成本、優化模具設計和修模、評判模具質量好壞、提高擠壓生產的穩定性、合理使用模具、確定模具較低庫存等工作都有著直接的影響。
