6R01T4铝合金手机背板材料晶粒显现方法的研究

于 宏,邵奎星,孙雯鑫

(山东南山铝业股份有限公司龙口南山铝压延新材料有限公司,山东 龙口 265700)

机身外壳轻量化是当前手机等电子产品应用材料的发展趋势之一。6×××系铝合金具有强度高、焊接性好、加工性好、可热处理强化等特点,因此被广泛应用于车体、船舶、家具、精密零件等[1]。

合金的晶粒度是合金性能的决定性因素之一,晶界上原子排列紊乱,杂质富集,晶体缺陷密度大,且晶界两侧晶粒位向不同,这些因素对位错滑移产生很大阻碍,使强度和硬度升高。晶粒越细,晶界总面积就大,强度就越高[2]。

晶粒度测定有三种方法,即比较法、平面计算法和截距法[3]。本试验使用截距法检测晶粒度。截距法是通过计数给定长度的测量线段(或网格)与晶粒边界(晶界)相交数来测定晶粒度。在进行晶粒度分析时,要求再结晶晶粒能足够完全在金相样品的检测面上显现出来,以保证检测结果的准确性。

我公司在对热处理状态为T4、厚度为12.5 mm的6R01铝合金手机背板进行晶粒度分析时,使用常用的化学浸蚀剂或阳极化覆膜方法制备的样品,再结晶的晶粒显现不完全,得出的数据误差较大。本试验采用多种显微组织浸蚀剂浸蚀、阳极化覆膜法或浸蚀和阳极化覆膜相结合的方法制备金相样品,制备后的样品进行光学显微镜观察,选出使样品呈现的再结晶晶粒较完全的最佳样品进行检测,并将此方法用于生产检验,以提高晶粒度检测结果的准确性。

1 试验方案

1.1 试验用料

试验用材料采用南山铝业股份有限公司生产的6R01铝合金板材,其热处理状态为T4,厚度为12.5 mm。

1.2 取样方向

手机背板用6R01T4铝合金板材在出厂检测时要求检测晶粒度的样品方向为板材的表面和与轧制方向平行的横截面。前期生产检测发现,板材的表面晶粒显现效果较差,因此本试验样品的取样位置为板材的表面。

1.3 试验步骤

将样品进行锯切、镶嵌、研磨和抛光,得到试验所需的金相样品。使用多种显微组织浸蚀剂浸蚀、阳极化覆膜或浸蚀和阳极化覆膜相结合的方法,进行金相样品制备的对比试验。

1.4 浸蚀剂种类及配比

化学浸蚀试剂及配比如表1所示,其中1#和2#为氢氟酸溶液,2#和3#为磷酸溶液,其余为混合酸溶液,阳极化覆膜使用的溶液为氟硼酸溶液(2.5 g/L)[4]。铝合金显微组织浸蚀剂常用的化学试剂有氢氟酸、盐酸、硝酸和磷酸等,其中氢氟酸对晶界具有较高的溶解能力;盐酸对金属氧化物具有较高的溶解作用;硝酸是一种氧化型强酸,主要起光亮洁净作用;磷酸是中等强度的无机酸,浸蚀能力较弱,磷酸浸蚀剂一般需加热使用。

表1 化学浸蚀剂的种类及成分配比

2 试验观察及结果

金相试样抛光完成后,在金相显微镜下观察,只能观察到样品中白色光亮的铝基体和残留的第二相,需要通过化学浸蚀或阳极化覆膜的方法使其晶界显现。将试验用样品镶嵌和磨抛后,分别用表1中的浸蚀剂浸蚀样品,浸蚀时间以显现出较完整的晶界为好。

2.1 化学浸蚀

合金中的原子排列是有序的,样品抛光面上各晶粒内的原子排列也是有序的,各晶粒的晶体结构虽然相同,但由于各晶粒的位向不同,使得晶粒间的晶界上的原子排列紊乱,并具有较高的自由能。在电解质溶液中,因自由能的不同具有不同的电极电位,可形成许多微小的电解池,电位较低的部分作为阳极溶解或沉积凹陷,从而使反应物着色。在光学显微镜下观察,光线在晶界处被折射,不能进入物镜而显现出黑色。合金中的各晶粒因位向的不同具有不同的自由能,在化学浸蚀时虽轻微受浸蚀,但各晶粒受到浸蚀的程度也不同,在光学显微镜垂直光照射下呈现明暗不一的颜色,使各晶粒的颜色稍有差异[5]。

2.1.1 氢氟酸溶液

图1所示的显微组织为样品在1#浸蚀剂中浸蚀300 s后的照片。从图1可以看出,浸蚀后的该样品组织中残余的第二相经浸蚀后颜色过深,而样品的晶界显现并不完全,部分基体上的弥散析出质点急剧增加已经发黑,从而掩盖晶界,难以观察。

图1 1#浸蚀剂浸蚀300 s后的显微组织

图2所示的显微组织为样品在2#浸蚀剂中浸蚀120 s后的照片。从图2可以看出,提高氢氟酸浓度缩短浸蚀时间后,该样品组织中残余的第二相着色效果较好,但部分晶界没有显现,部分基体上的弥散析出质点增加过多,继续浸蚀不利于观察晶界。

图2 2#浸蚀剂浸蚀120 s后的显微组织

2.1.2 磷酸溶液

图3所示的显微组织为样品在3#浸蚀剂中浸蚀1 200 s后的照片。从图3可以看出,样品经过长时间浸蚀后依然无法显现样品晶界,样品中残余的第二相着色明显,可以继续增加浸蚀时间,但时间过长,不能够投入到日常检测中。

图3 3#浸蚀剂浸蚀1 200 s后的显微组织

图4所示的显微组织为样品在4号浸蚀剂中浸蚀900 s后的照片,从图4可以看出,提高磷酸浓度、减少浸蚀时间后,少部分晶界显现出来,弥散相着色明显,继续增加浸蚀时间样品的显微组织发黑,难以辨识晶界。

图4 4#浸蚀剂浸蚀900 s后的显微组织

2.1.3 混合酸溶液

1)氢氟酸+盐酸+硝酸+水

图5和图6为样品分别在5#和6#浸蚀剂中浸蚀180 s后的显微组织。从图可以看出,5#浸蚀剂浸蚀后的样品中大部分晶界已经显现,较6#浸蚀剂浸蚀后的样品更加完整,残余的第二相着色较6#浸蚀剂浸蚀后的样品着色浅,更利于观察样品晶界。

图5 5#浸蚀剂浸蚀180 s后的微组织

图6 6#浸蚀剂浸蚀180 s后的显微组织

图7为样品在7#浸蚀剂中浸蚀300 s后的显微组织。从图7可以看出,浸蚀后样品中残余的第二相和弥散相均已着色,晶界几乎没有显现,继续浸蚀600 s后的显微组织如图8所示。从图8可以看出,样品已过浸蚀,晶界呈现双晶界,再结晶晶粒的晶界基本显现出来,但由于基体上弥散析出质点的数量急剧增加,使得浸蚀出的晶界显现不清晰,影响了晶粒度检测结果的准确性。

图7 7#浸蚀剂浸蚀300 s后的显微组织

图8 7#浸蚀剂浸蚀300 s+600 s后的显微组织

通过图5、图6和图7可以看出,随着HF酸含量的增加,晶界显现的数量也明显增加。由此可见,HF酸对晶界的浸蚀作用较强。

2)氢氟酸+盐酸+水

图9为样品在8#浸蚀剂中浸蚀480 s后的显微组织。从图9可以看出,样品的基体上均匀分布着弥散析出质点,大多数再结晶晶粒的晶界已显现出来,只有少数晶粒的晶界没有显现出来。将样品再加深浸蚀4 min后,其显微组织见图10。样品已过浸蚀,晶界呈现双晶界,再结晶晶粒的晶界基本上显现出来。晶界显现效果好于浸蚀时间8 min的样品,只有极少量晶粒的晶界没有显现,但由于组织中残余的第二相着色过深,基体上的弥散析出质点的数量急剧增加,使得浸蚀出的晶界显现的清晰度降低,影响了晶粒度检测结果的准确性。

图9 8#浸蚀剂浸蚀480 s后的显微组织

图10 8#浸蚀剂浸蚀480 s+240 s后的显微组织

3)氢氟酸+盐酸+水(调节成分后)

8#浸蚀剂和其他编号的浸蚀剂相比,其浸蚀晶界的效果较好,大多数晶粒的晶界已显现,但浸蚀时间较长,影响了样品的制样效率。

在经过以上试验总结后可以得出,浸蚀剂中的主要成分氢氟酸对晶界的浸蚀作用较强,因此在8#浸蚀剂基础上,将氢氟酸与盐酸和水的比例调整,经过反复试验,发现浸蚀剂的成分配比为HF、HCL、H2O的体积比为1∶1∶11(以下称9#浸蚀剂)时,仅用210 s浸蚀就可将大多数晶粒的晶界显现出来,其晶界的显现效果等同于8#的浸蚀剂浸蚀8 min的效果。由此可见,用9#浸蚀剂浸蚀的样品,其浸蚀时间大大缩短,且浸蚀晶界的效果也较好,如图11所示。

图11 9#浸蚀剂浸蚀210 s后的显微组织

由于还有少数晶粒的晶界没有显现出来,将样品再加深浸蚀180 s(浸蚀时间共6.5 min),其显微组织见图12。图12和图10的显微组织相近。晶界基本上显现出来,但由于组织中残余的第二相着色过深,基体上弥散析出质点的数量急剧增加,样品组织发黑严重,使得浸蚀出的晶界显现的清晰度降低,影响了晶粒度检测结果的准确性。

图12 9#浸蚀剂浸蚀210 s+180 s后的显微组织

2.2 阳极化覆膜

铝合金是由许多晶粒组成的多晶体,就宏观金属整体来说,各个晶粒的晶面取向是任意的、紊乱的,晶粒的各向异性在多晶体的不同方向上彼此抵消,而显示出多晶体的各向同性。即多晶体在微观上具有各向异性,宏观上是各向同性的。具有各向同性的铝合金样品,经阳极化覆膜后,在样品的抛光面上生成一层薄膜。这种薄膜是各向异性的,薄膜的组织结构、位向和分布状态完全对应它底下的铝合金晶粒的形貌特征。在光学显微镜的偏振光下观察,由于每个晶粒的反射光偏转的角度都不同,可看到具有不同颜色的晶粒[6]。

对样品进行镶嵌和磨抛后,直接进行阳极化覆膜,阳极化覆膜的参数如下:电压28 V,时间210 s,覆膜液为氟硼酸水溶液。在光学显微镜的偏振光下观察覆膜后的样品偏光组织如图13所示,部分区域再结晶的晶粒显现清晰,还有部分区域(如左图中的紫色区域和右图中的褐色区域)由于各晶粒的颜色相近,使得这个区域的晶粒显现不清晰而难以区分,因此12.5 mm板材苹果料表面只经阳极化覆膜制备出的样品,进行晶粒度检测时,分析的难度和误差较大,很难保证晶粒度检测结果的准确性。

图13 板材样品的偏光组织

2.3 化学浸蚀和阳极化覆膜相结合的方法

化学浸蚀法和阳极化覆膜法均可显现铝合金的晶粒,但都有无法显现出的晶粒。只有受检样品的晶粒显现较完全,在晶粒度检测时才能保证检测结果的准确性。

为弥补浸蚀剂浸蚀后晶粒显现不完全问题,采用化学浸蚀与阳极化覆膜结合的方法,使化学浸蚀未显现出的晶粒以不同的颜色显现出来。5#浸蚀剂的配比为试验最常用的配比,6#浸蚀剂的配比为腐蚀能力最强的配比,图14、15分别为经过5#浸蚀剂和6#浸蚀剂浸蚀180 s样品阳极化覆膜后的偏振光照片(电压28 V,时间210 s)。

图14 5#浸蚀剂浸蚀180 s样品经阳极化覆膜后的偏振光照片

图15 6#浸蚀剂浸蚀180 s样品经阳极化覆膜后的偏振光照片

由图14、15可以观察到,分别经过5#浸蚀剂和6#浸蚀剂浸蚀阳极化覆膜后样品晶粒显现仍不完全,部分晶粒间晶界仍不清晰,图中的画圈处,用化学浸蚀法未能浸蚀出的晶粒,经阳极化覆膜后,此处的各晶粒以不同的颜色显现出来。

图16为样品经9#浸蚀剂浸蚀210 s,再进行阳极化覆膜后的偏振光图片(电压28 V,时间210 s)。由图16可见,中心画圈处用化学法浸蚀显现是3个晶粒,覆膜法只显现2个晶粒。右图中的右上部画圈处的蓝色区域,用化学法浸蚀后显现是3个晶粒,覆膜法只显示为1个晶粒；右图中的左下角的画圈处,深褐色区域用化学法浸蚀显现为2个晶粒,覆膜法显示为1个晶粒,浅褐色区域用化学法未能浸蚀出的晶粒,经阳极化覆膜后,此处的各晶粒用不同的颜色而显现出来。

图16 经9#浸蚀剂浸蚀3.5 min后阳极化覆膜的偏光组织

3 结果分析

通过对阳极化覆膜法制备的样品效果分析后可知,直接对6R01T4铝合金手机背板材料使用阳极化覆膜的方法进行晶粒度检测,虽然可以通过不同的颜色显现出各晶粒,但不能清晰地区分各晶粒。

通过对不同化学浸蚀剂浸蚀的样品效果分析后可知:

1)磷酸对晶界的浸蚀作用较弱,使用磷酸浸蚀剂的效果很差,只有极少数晶粒的晶界模糊的显现出来,即使过浸蚀也并不能清晰看见,因此不建议使用磷酸浸蚀剂。

2)氢氟酸浸蚀剂的效果较差,只能显现出少部分晶界,且晶粒不清晰,因此不建议使用氢氟酸浸蚀剂。

3)氢氟酸+盐酸+硝酸+水浸蚀剂的浸蚀效果较一般,再结晶晶粒的晶界显现不完全,虽然随着氢氟酸含量的增加,晶界显现的效果也呈现递增趋势,但仍不能满足晶粒度检测的要求,因此不建议使用氢氟酸+盐酸+硝酸+水浸蚀剂。

4)氢氟酸+盐酸+水浸蚀剂的浸蚀效果较好,分布着少数弥散析出质点,大多数再结晶晶粒的晶界已显现出来,但是消耗的时间较长。为了提高制样效率,提高氢氟酸的含量占比后,能使大多数晶粒的晶界显现出来,且缩短了一半的制样时间,在几种浸蚀剂中效果最好,可以考虑使用此种浸蚀剂。

为了确保得到最优的样品制备方案,使用目前已知浸蚀效果最好的9#浸蚀剂对样品进行浸蚀后,再进行阳极化覆膜。发现经过化学浸蚀后,少数晶粒未显现出晶界的区域中的晶粒以不同的颜色显现出来,而阳极化覆膜后由于颜色相近难以区分的晶粒,由于经过化学浸蚀后晶界的显现也可以进行区分。由此可见,用化学浸蚀法浸蚀后未显现晶界的少数晶粒,可用阳极化覆膜法使各晶粒呈现出的不同颜色来弥补。而阳极化覆膜法中颜色相近无法区分各晶粒的区域,也能用化学浸蚀法浸蚀出的晶界来弥补。两种方法的结合,使制备出的样品检测面的晶粒能较完全地显现出来,极大程度地减少了由于制备样品引入的误差,提高了12.5 mm厚的6R01T4铝合金手机背板料的晶粒度检测结果的准确性。

4 结 论

1)6R01T4铝合金手机背板材料采用HF、HCL、H2O体积比为1∶1∶11的浸蚀剂,浸蚀时间210 s,可使大多数晶粒的晶界显现出来。

2)对化学法浸蚀后的样品进行阳极化覆膜(以氟硼酸水溶液为覆膜液,电压28 V,时间200 s),通过不同晶粒颜色显现,能够区分出化学法浸蚀后未显现的晶粒。

3)用化学浸蚀法和阳极化覆膜法相结合的方法,能使待测样品的晶粒显现较完全,保证了检测结果的准确性,可用于生产检测。