铝合金阳极氧化膜缺陷的原因分析

黄小汉

摘  要：铝合金受多种原因的影响，易存在氧化膜的典型缺陷。针对该缺陷，借助宏观观察与金相检验明确缺陷的形成原因。铝合金表面阳极氧化膜缺陷的发生加工工艺，基体组织的不均匀性、晶粒异常有关。统计数据表明，由于铝合金晶粒异常引发的缺陷占有较高的比例。铝合金晶粒大小较为均匀时，直径小于120μm时，表面氧化膜厚度均匀，性能稳定;晶粒直径大于180μm ，阳极氧化膜的形成受到影响。

关键词：铝合金;阳极氧化膜;缺陷分析

中图分类号：TG174          文献标志码：A

铝合金作为常用的金属材料，体现出比强度、比刚度高，耐蚀性好等优势，还由于密度小可以广泛应用于不同的领域。随着技术的发展与进步，铝合金加工技术实现了多方面的突破，特别是由于技术的发展，当前表面阳极氧化处理技术实现了很大的进步。铝合金阳极存在氧化作用的影响，表面会发生变化，形成一层氧化保护膜，保护膜可以起到着色装饰作用，因此于氧化膜的保护具有耐蚀、耐磨、绝缘等多种优势。但是，氧化膜的形成过程也会导致出现质量缺陷问题，表面处理难以达到技术要求。常用的缺陷包括存在不光滑纹路、表面覆盖有麻点、着色失调不均匀、存在阴影线，不同批次产品的表面有色差。此外，由于铝合金阳极氧化工艺上缺陷也会引发质量问题。铝合金表面也会受到加工工艺的影响，加工会导致组织结构不均匀性。分析氧化膜缺陷的形成机理并采取防范措施，可以消除铝合金表面阳极氧化膜缺陷。

1 铝合金阳极氧化膜缺陷原因分析

1.1 表面加工引发的

1.1.1 表面有不光滑纹路

铝合金工件常见的工序为：先对表面实施除油处理，采用酸洗液地表面加以化学抛光，酸性溶液可以实施除膜处理。水洗后进行阳极化处理。检验表面可以发现存在缺陷，顺长度方向存在不光滑纹路。顺工件横截面方向，针对垂直纹路取样后金相检验，有纹路存在的部位氧化膜变薄，发生了不同的程度的下陷。铝合金基体存在少许凸起。凸起部位具有腐蝕特征。试样浸蚀处理后，表面腐蚀性特征更加突出。铝合金工件在实施化学抛光和除膜处理后，表面的钝化膜会形成，但会发生腐蚀作用。在处理中如果钝化膜的形成速度快于腐蚀速度，表面会生成钝化膜，有利于实现保护作用。合金表面如果不能形成保护膜，腐蚀作用会明显。由于加工工艺的缺陷，零件表面沿着径向存在凸起线。有凸起线的部位，表明酸洗腐蚀强度过大，不利于钝化膜的形成，局部位置存在腐蚀，表面缺陷发生。阳极氧化处理中，缺陷部位氧化膜如果完整难以保证，有不光滑纹路存在。

1.1.2 表面有麻点

检验铝合金工件表面时，还可以在部分工件的氧化膜表面发现存在小的麻点，直径约1 mm。麻点区域的铝合金基体有典型的腐蚀特征。这一现象表明零件加工受工艺缺陷影响存在腐蚀，阳极氧化后，氧化膜表面有缺陷的部位可见麻点。

1.2 组织异常引发的缺陷

1.2.1 表面有皱点

阳极发生氧化后，表面会出现无规律分布、大小不一皱点。对皱点部位横截面取样后金相检测，可见氧化膜的厚度不一致，薄厚不均。铝合金基体表面皱点处存在许多杂质颗粒。正常条件下氧化膜的厚度均匀，如果基体内部聚集杂质颗粒时，表面氧化膜会受到影响，导致厚度不均匀。这也表明铝合金基体杂质会影响到氧化膜的厚度，氧化膜表面有皱点缺陷存在[1]。

1.2.2 表面存在条纹

一些铝合金工件由于加工工艺选择不当，阳极氧化处理后表面存在条纹缺陷，表面条纹面积较大，肉眼明显，表面不平滑。在工件横截面上取样用金相观察垂直条纹，可见存在条纹区域的氧化膜厚度与正常表面没有太大的区别，但是观察条纹下的基体显微组织，发现与正常组织部位不一致，如图1所示。正常显微组织中发生弥散的数量相较少，并且呈均匀分布。在有条纹存在的工件表面，可见弥散质点聚集，形态为呈胞状。弥散质点聚集析是氧化膜表面产生条纹的主要原因。

1.2.3 氧化膜有色差

铝合金工件经过阳极氧化工艺后，同一批次的色差也会有所差别，但是不同工件的表面氧化膜存在色差。部分工件的表面呈现出褐黄色，也有黑色。横截面取样实施金相检测，可见氧化膜厚度较为一致，对比不同工件可见氧化膜厚度存在差异，褐黄色约为71μm，黑色约为45 μm。这也表明铝合金氧化膜处理工艺会对组织色差产生影响。

分析褐黄色氧化膜，有块状未溶或难溶成分，没有析出弥散质点，基体较为纯净。黑色氧化膜有弥散相，弥散鑫发生于晶界区域。表面阳极氧化处理工艺大致相同，但铝合金组织有一定的差异，同批次工件受组织差异的会导致氧化膜有色差现象[2]。

1.3 晶粒异常引发的氧化膜缺陷

1.3.1 存在表面花斑

工件表面经过阳极氧化处理后，会粗大花斑出现。去除氧化膜后可见粗大的晶粒，晶粒特征明显，尺寸约2 mm～3 mm。粗大花斑的原因是由于铝合金基体组织有粗大晶粒。

1.3.2 存在外圆花斑

实施阳极氧化处理后，工件表面还会存在椭球状花斑，多见于外圆处。磨去表面氧化膜观察铝合金形貌，可见外部有粗大的晶粒，尺寸达1 mm～2 mm。中部有细小的晶粒，尺寸约17 μm。氧化膜表面晶粒细小部位光滑，没有花斑。分析原因，花斑的产生是由于存在粗大晶粒。

1.3.3 表面发花

表面经过氧化处理后，正常时氧化膜的色泽均匀，但是部分工件经过表面处理后会有发花问题，表现色泽有偏差。发生缺陷的原因除了氧化工艺，还会受到合金组织的影响。金相检测氧化膜区域的组织，色泽均匀与隐约发花的试样不存在差异，晶粒类似，部分晶粒存在亚晶，但部分晶外观虽然光亮但是没有亚晶。对比不同试样，晶粒尺寸存在差异。晶粒细小的尺寸约为20 μm。晶粒粗大的尺寸约为180 μm。这一现象表明基体晶粒粗大是导致表面隐约发花的主要因素。

1.3.4“阴阳面”问题

氧化处理后一些铝合金零件表面有“阴阳面”存在，颜色差异很大，一面偏深，一面偏浅，颜色有较大的差异。氧化膜颜色偏深的厚度为53 μm，偏浅的厚度约为44 μm，不同颜色的氧化膜都连续。铝合金基体的氧化膜实现金相观察。基体的组成存在相似性，晶粒形态有所差异。晶粒发生拉长直径可达120 μm。内部可见部分亚晶粒，晶界有细小的再结晶晶粒。还有再结晶存在，再晶粒尺寸可达4 μm。再结晶的差异会导致氧化膜存在“阴阳面”现象。

1.3.5 存在阴影线

实施阳极氧化处理后，部分工件表面会有阴影线产生。阴影线区域有着均匀的氧化膜厚度，没有缺陷。显微观察，阴影线两侧显粒没有明显的差异。依据阳极覆膜法分析晶粒。阴影线区域晶粒直径有所差异，左侧70 μm;右侧120 μm。阴影线说明了晶粒尺寸有所突变，这一现象表明氧化膜有阴影线的原因是由于晶粒尺寸存在差异[3]。

2 综合分析

依据上面的分析结果，铝合金材料表面阳极氧化膜缺陷问题的发生原因有3类：表面加工工艺缺陷、基体晶粒大小不一致、晶粒直径有异常变化。统计数据表明，晶粒发生异常的比例最高，在铝合金材料中加以需要引起更多的重视。从经济性来讲，氧化膜缺陷问题不能在等到最后工序通过检验发现，针对质量控制提前加以防范，包括阳极氧化工艺的选择，加工前原材料的检测。

铝合金材料表面缺陷是由于加工工艺或基体组织不均匀引发的易于分析，但是晶粒如果有异常难以观察，需要进一步检测。针对这一问题要考虑到2个方面的影响因素，一些铝合金材料要通过化学浸蚀才可以看到晶粒形貌，部分铝合金制品实施阳极覆膜后偏检测晶粒。如果晶粒不均匀，易于识别出氧化膜质量问题的原因。但是晶粒如果总体均匀，要进一步检测晶粒的尺寸范围。上述的分析还表明，鋁合金晶粒尺寸控制在低于120 μm较为合适，这个尺寸范围内的氧化膜质量可靠，厚度均匀，晶粒度均匀。如果晶粒尺寸大于180 μm，可见氧化膜表面会有隐约发花现象，这表明晶粒尺寸超过了许可范围。晶粒尺寸的过渡段在是120 μm～180 μm ，当前还缺少可信的研究结论。但是铝合金晶粒间有位向差存在，在氧化后由于晶粒间会存在很大的差异，人眼可以分辨的晶粒最小为 100 μm。细小晶粒时氧化膜存在的差异难以用肉眼分辨， 肉眼认为氧化膜是均匀的。因此铝合金晶粒尺寸要控制在100 μm 以下，以保证氧化膜的均匀性。针对缺陷问题检测要参考尺寸的合格范围。铝合金表面要经阳极氧化处理的，检测要结合表面阳极氧化膜处理可以直接作用的部位。其他处理部位如果不能体现出表面特征，难以表明处理效果。如果是非表面，铝合金基组织还会受到晶粒均匀性的影响，晶粒差异会对氧化膜产生一定的影响。

3 结论

铝合金材料表面阳极氧化膜缺陷的发生原因包括加工质量问题、组织不均匀、晶粒的异常变化。晶粒异常变化占比最多。铝合金晶粒要保护均匀性好，需要控制在120 μm以下时，并保证厚度均匀;超过 180 μm 时，表面发花，不利于阳极氧化膜的形成。

参考文献

[1]麻彦龙.铝合金阳极氧化膜带状外观缺陷成因分析[J].电镀技术， 2014，32（2）：75-76.

[2]张超，黄生华.铝 合 金 粗 晶 环 造 成 的 阳 极 氧 化 膜 外 观 缺 陷 分析[J].能源与节能，2018（9）： 169-170.

[3]郭海霞，李雪峰，黄安琪.铝合金表面阳极氧化膜缺陷成因分析[J]. 理化检验， 2019（12）：158-159.