Al-Zn-Mg-Cu系铝合金厚板截面色差原因分析及工艺改进

王瑞雪，温庆红，罗 阳

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金作为高强度铝合金的代表，因其较高的强度以及良好的韧性而被广泛地应用于航空、航天及交通运输等领域[1-4]。然而，随着社会的发展，人们对使用物品的外观要求越来越高，不仅要求物品的实用性而且还要求物品的美观性[5]。对于铝及铝合金来说，阳极氧化处理是一种非常好的表面处理方式，通过在产品表面形成一层具有一定厚度、强度且美观的氧化膜，从而获得具有一定耐蚀性且美观的材料。

目前相关学者也对此进行了研究，发现铝或铝合金阳极氧化处理后可能会出现一定程度的外观缺陷[6-10]，如黑斑、黑点、局部异色等，从而导致产品无法正常使用。沈建国[9]等研究了光板光泽度、化抛温度、化抛时间、阳极氧化时间、电解液温度、氧化膜厚度对本色氧化后黄蓝色差的影响规律。研究结果表明，氧化后黄蓝色差的影响因素较多，且部分因素之间存在一定的相关性。因此，若要通过调整轧制工艺参数来优化氧化后黄蓝色差，则需充分考虑各种工艺参数之间的相互关系。李博[11]分析了影响2A12 铝合金硫酸阳极氧化的主要因素。研究发现，从零件预处理质量、工艺参数选择、槽液日常维护和Cu2+、Al3+和Cl-等杂质的处理及加工过程中零件的装挂等多方面提出改进、优化，可使硫酸阳极化膜层出现黑点或黑斑的现象彻底消除。李东东[12]等研究了7075合金零件阳极化后表面产生黑斑缺陷的原因。研究发现，零件表面产生黑斑缺陷的原因是由于显微组织中存在较多的未溶质点相，其内因和外因分别是材料内部存在Zn、Cu、Mg 元素偏析和零件本身热处理不均匀，通过合适的热处理工艺可以消除零件表面的黑斑缺陷。目前已知的影响铝或铝合金阳极氧化后缺陷的因素较多，但是对厚板截面色差的影响因素的研究相对较少。因此，本文通过对Al-Zn-Mg-Cu 铝合金厚板截面色差缺陷进行分析，查找缺陷产生的根本原因，并针对性地提出解决办法，改善产品最终的阳极氧化效果，获得合格产品。

1 实验过程

选用Al-Zn-Mg-Cu合金厚板（板厚40 mm）进行实验，其主要生产工艺流程为：铸锭加热→轧制→预拉伸→热处理→检测分析。

试验通过使用莱卡金相显微镜、HVS-5小负荷维氏硬度计、氧化膜测试仪及日立S-3400 扫描电镜等检测仪器，分别对厚板截面的金相组织、硬度、氧化膜厚度及氧化膜形貌等实验项目进行对比分析，查找色差产生的根本原因，并根据实验分析结果，制定轧制工艺优化方案，获得合格产品。

2 实验结果与分析

2.1 宏观组织分析

选取1 块40 mm 厚成品试样进行阳极氧化实验，并对其截面进行宏观组织观察，样品阳极氧化形貌如图1所示。由图可知，样品厚度截面存在明显的色差现象，其中厚度心部颜色明显与其他部位不同，且具有一定宽度，宽度约为8 mm。

图1 样品厚度截面阳极氧化形貌

2.2 硬度和氧化膜分析

表1 为色差缺陷试样白色（T/4 厚度）及亮色（T/2厚度）位置硬度及氧化膜测试结果。由表1可知，色差缺陷试样，不同颜色位置硬度及氧化膜厚度相差不大。

表1 试样硬度、氧化膜分析

2.3 扫描电镜分析

图2 为色差缺陷试样白色（T/4 厚度）及亮色（T/2 厚度）位置典型扫描电镜分析结果。由图可知，不同颜色位置，试样第二相腐蚀程度不同，其中T/4 厚度位置的化合物明显比T/2 位置的多，这主要与铝合金DC铸造产生的偏析有关。

图2 样品典型SEM组织形貌

2.4 显微组织分析

图3 为色差缺陷试样白色（T/4 厚度）及亮色（T/2 厚度）位置明场及偏光组织分析图。由图可知：不同颜色位置，试样化合物尺寸相差不大，但T/4厚度位置化合物数量较T/2厚度位置多，此种现象与上述扫描电镜结果吻合，这与铝合金DC 铸造产生的偏析有关；不同颜色位置试样的再结晶程度不同，白色（T/4 厚度）位置再结晶程度较亮色（T/2厚度）大，且不完全再结晶组织较多。

图3 样品典型显微组织形貌

图4 成品试样厚度截面阳极氧化形貌

2.5 轧制工艺试验研究

通过上述分析可知，Al-Zn-Mg-Cu 厚板截面色差产生的根本原因与截面再结晶组织分布不均匀有关。因此，为了获得厚度截面均匀一致的组织形貌，本文采用两种不同的轧制工艺优化方案，研究不同轧制方式对产品最终阳极氧化效果的影响。

图5 为成品试样厚度截面典型偏光组织形貌。由图可知，当采用方案1进行轧制时，不同颜色位置试样的再结晶程度不同，白色（T/4 厚度）位置再结晶程度较亮色（T/2 厚度）高，且不完全再结晶组织占比较大；当采用方案2进行轧制时，不同厚度位置的再结晶程度相差不大，且不完全再结晶组织占比也无明显差异。

图5 成品试样典型偏光组织形貌

图4 为成品试样厚度截面阳极氧化形貌。由图可知，当采用方案1进行轧制时，板材厚度截面仍然可见明显的色差现象，厚度中心颜色较亮，其他厚度位置颜色较白；当采用方案2进行轧制时，可见板材厚度截面色泽明亮，颜色相对均匀，且无明显肉眼可见的色差带现象，阳极氧化效果明显变好。

图6 为成品试样厚度截面典型明场组织形貌。由图可知，两种不同的轧制工艺条件下，均呈现T/4厚度位置化合物数量多于T/2 厚度位置的现象。因此，可进一步证明铝合金DC 铸造过程中产生的偏析现象，不是导致成品板材厚度截面阳极氧化后出现色差的根本原因。

图6 成品试样典型明场组织形貌

3 分析与讨论

通过对Al-Zn-Mg-Cu 合金厚板截面色差缺陷进行分析可知，有色差的试样厚度截面不同位置的再结晶程度不同，其中T/4 厚度位置再结晶程度高于T/2 厚度位置，即T/4 厚度位置再结晶晶粒数量明显多于T/2厚度位置。故Al-Zn-Mg-Cu合金厚板截面产生色差的根本原因与整个厚度截面再结晶组织分布不均匀有关。

因此，为了获得均匀一致的再结晶组织形貌，本文开展了不同轧制工艺对Al-Zn-Mg-Cu 铝合金厚板截面再结晶组织的影响研究。发现，当采用方案1进行轧制时，板材厚度截面组织不均匀，阳极氧化处理后呈明显的色差现象；当采用方案2进行轧制时，整个厚度截面的再结晶组织占比及分布情况基本相当，故板材整个厚度截面更容易形成均匀一致的组织形貌。

通过分析可知，当采用方案1进行轧制时，板材T/2 厚度位置的变形程度相对较小，储存能量较少，在后续热处理过程中，T/2 厚度位置更容易发生回复，而不是再结晶，因此，更容易导致整个截面组织的再结晶程度不同；当采用方案2进行轧制时，板材T/2 厚度位置变形程度相对较大，储存能量较多，在后续热处理过程中，T/4及T/2厚度位置均发生再结晶现象，且再结晶程度相差不大，因此，整个厚度截面组织相对均匀。

综上所述，为了使Al-Zn-Mg-Cu 系合金厚度截面获得均一的组织形貌，可采用精确控制轧制工艺的方式，获得均匀一致的再结晶组织形貌，进而满足产品表面质量要求。

4 结论

（1）Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金厚板截面色差缺陷产生的根本原因与整个厚度截面再结晶组织分布不均匀有关。

（2）解决Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金厚板截面色差缺陷的关键是控制轧制工艺。