6063鋁合金型材“閃爍花紋”的成
來源：中國鋁材信息網
發布時間：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心的擠壓材，經過硫酸陽極氧化生產工藝處理后，其表面局部會出現一種沿縱向連續分布的，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”)。其分布規律是：①沿擠壓方向，尾部比頭部更明顯可見，嚴重時，首尾都很明顯；②沿垂直于擠壓軸線的方向，“花紋”一般只出現在局部，尤其出現在型材曲率較大的部位，或是空心、半空心型材的焊縫區域，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
某些擠壓材經硫酸脫脂并水洗后，表面無異常變化，而當其在wZn2＋≥4×10－6的堿蝕液中經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行分析，結果表明：“閃爍花紋”對應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晶組織——粗晶環，且晶粒越粗大，“閃爍花紋”越明顯；這種現象也隨著浸蝕的進行而越來越明顯。
文獻[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)的組織狀態有關外，還與堿蝕液中[Zn2＋]有關。實驗證明：在合金中，當wZn≥0.033%，且型材表面存在粗晶環的前提下，只要堿蝕液中wZn2＋≥4×10－6，就會產生“閃爍花紋”。
產生“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]。晶間腐蝕的機理是電化學的，是晶界內的局部原電池作用的結果。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，在堿蝕電解質溶液中，形成了原電池α－Al－Mg2Si。在實際生產中，一般都要求Si的含量過剩，則其晶間腐蝕敏感性增大，因為位于晶界及其附近區域的游離硅具有很強的陽極性[3]。
研究結果表明：“閃爍晶粒”的晶界及其附近區域中的含Zn量相對偏高，即Zn參與了腐蝕過程。文獻[4]推測：Zn是以“溶解－再沉積”的方式促進晶界腐蝕的。堿洗時，固熔于α－Al中的Zn隨α－Al的溶解而溶解；當槽液中wZn2＋≥4×10－6時，發生反應：Al＋Zn2＋→Zn＋Al3＋，單質Zn有選擇地在陰極性區域沉積，進一步加劇了局部腐蝕。
2.2 鑄錠質量的影響
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wFe≥wSi時，有α－(Al－Fe－Si)(陽極相)；當wFe≤wSi時，有β－(Al－Fe－Si)(陰極相)。實際生產中，要求6063合金的成分應符合國際GB3190－82之規定，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)的堿蝕處理過程中，當其他條件具備時，只要合金中wZn≥0.03%，就可能產生“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。特別應該指出的是：在相同條件下，產生“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
文獻指出[5]：低層錯能的金屬(如α－Al)在擠壓(ε=90%)時，只發生動態回復，而后會發生靜態回復和靜態再結晶。純鋁的再結晶溫度約為280℃，而6063鋁合金的再結晶溫度為320℃左右。我們知道：無論是“回復”還是“再結晶”都是原子在固相中的擴散遷移過程。這與原子擴散所需的化學勢有關，且需要在較高的溫度下才能順利進行。當溫度過低時，擴散不宜進行，使“回復”和“再結晶”過程受到抑制。
由上述理論可知：在正常的工藝條件下生產RCS狀態的6063鋁合金擠壓型材，在經擠壓－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單質等，晶粒細小且均勻分布，成為只發生了動態回復或靜態回復的加工組織。經人工時效處理后，6063鋁合金型材的主要相組成為：α－Al，游離Si，主要強化相Mg2Si，等等。組織狀態為：細小的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域。而當生產條件控制不當(如淬火冷卻強度不足)時，就可能發生“靜態再結晶”及“再結晶晶粒長大”而形成粗晶環。
粗晶環的分布規律是：靠近擠壓筒壁的部分出現較厚粗晶環；模具工作帶磨擦阻力較大的部分具有較厚粗晶環；較厚粗晶環處的晶粒比較粗大。沿擠壓方向上的粗晶環厚度的分布規律是：頭部薄、尾部厚；嚴重時會在全斷面上出現粗晶組織。粗晶環的最大深度為：2.0－2.5mm。
粗晶環的形成機理是[6]
某些擠壓材經硫酸脫脂并水洗后，表面無異常變化，而當其在wZn2＋≥4×10－6的堿蝕液中經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行分析，結果表明：“閃爍花紋”對應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晶組織——粗晶環，且晶粒越粗大，“閃爍花紋”越明顯；這種現象也隨著浸蝕的進行而越來越明顯。
文獻[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)的組織狀態有關外，還與堿蝕液中[Zn2＋]有關。實驗證明：在合金中，當wZn≥0.033%，且型材表面存在粗晶環的前提下，只要堿蝕液中wZn2＋≥4×10－6，就會產生“閃爍花紋”。
產生“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]。晶間腐蝕的機理是電化學的，是晶界內的局部原電池作用的結果。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，在堿蝕電解質溶液中，形成了原電池α－Al－Mg2Si。在實際生產中，一般都要求Si的含量過剩，則其晶間腐蝕敏感性增大，因為位于晶界及其附近區域的游離硅具有很強的陽極性[3]。
研究結果表明：“閃爍晶粒”的晶界及其附近區域中的含Zn量相對偏高，即Zn參與了腐蝕過程。文獻[4]推測：Zn是以“溶解－再沉積”的方式促進晶界腐蝕的。堿洗時，固熔于α－Al中的Zn隨α－Al的溶解而溶解；當槽液中wZn2＋≥4×10－6時，發生反應：Al＋Zn2＋→Zn＋Al3＋，單質Zn有選擇地在陰極性區域沉積，進一步加劇了局部腐蝕。
2.2 鑄錠質量的影響
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wFe≥wSi時，有α－(Al－Fe－Si)(陽極相)；當wFe≤wSi時，有β－(Al－Fe－Si)(陰極相)。實際生產中，要求6063合金的成分應符合國際GB3190－82之規定，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)的堿蝕處理過程中，當其他條件具備時，只要合金中wZn≥0.03%，就可能產生“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。特別應該指出的是：在相同條件下，產生“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
文獻指出[5]：低層錯能的金屬(如α－Al)在擠壓(ε=90%)時，只發生動態回復，而后會發生靜態回復和靜態再結晶。純鋁的再結晶溫度約為280℃，而6063鋁合金的再結晶溫度為320℃左右。我們知道：無論是“回復”還是“再結晶”都是原子在固相中的擴散遷移過程。這與原子擴散所需的化學勢有關，且需要在較高的溫度下才能順利進行。當溫度過低時，擴散不宜進行，使“回復”和“再結晶”過程受到抑制。
由上述理論可知：在正常的工藝條件下生產RCS狀態的6063鋁合金擠壓型材，在經擠壓－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單質等，晶粒細小且均勻分布，成為只發生了動態回復或靜態回復的加工組織。經人工時效處理后，6063鋁合金型材的主要相組成為：α－Al，游離Si，主要強化相Mg2Si，等等。組織狀態為：細小的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域。而當生產條件控制不當(如淬火冷卻強度不足)時，就可能發生“靜態再結晶”及“再結晶晶粒長大”而形成粗晶環。
粗晶環的分布規律是：靠近擠壓筒壁的部分出現較厚粗晶環；模具工作帶磨擦阻力較大的部分具有較厚粗晶環；較厚粗晶環處的晶粒比較粗大。沿擠壓方向上的粗晶環厚度的分布規律是：頭部薄、尾部厚；嚴重時會在全斷面上出現粗晶組織。粗晶環的最大深度為：2.0－2.5mm。
粗晶環的形成機理是[6]
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