技術(shù)丨鋁型材6063氧化外觀不良表面斑點(diǎn)陰陽(yáng)色怎么改善？

生活水平的提高，鋁合金門(mén)窗、鋁合金幕墻的使用越來(lái)越普及，然而不少的鋁合金在使用一段時(shí)間以后，表面出現(xiàn)形態(tài)各異的腐蝕缺陷，其中斑點(diǎn)腐蝕較為常見(jiàn)，嚴(yán)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(zhì)量，達(dá)到控制表面斑點(diǎn)腐蝕的目的，很有必要對(duì)斑點(diǎn)缺陷做深入細(xì)致的分析。本文以6063鋁型材經(jīng)陽(yáng)極氧化后表面出現(xiàn)的斑點(diǎn)腐蝕為研究對(duì)象，分析斑點(diǎn)腐蝕的本質(zhì)、成因及生成機(jī)理，探討產(chǎn)生斑點(diǎn)腐蝕的關(guān)鍵因素。

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斑點(diǎn)腐蝕的本質(zhì)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(qiáng)化相Mg2Si，一般在配制合金成分時(shí)人為的使Si元素適量過(guò)剩。因?yàn)殡S著Si含量的增加，合金的晶粒變細(xì)，熱處理效果較好。但另一方面，Si的過(guò)剩也有面作用，使合金的塑性降低，耐蝕性變壞。

研究表明：過(guò)剩Si不僅能形成游離態(tài)的Si相，還會(huì)與基體形成α相（Al12Fe2Si）和β相（Al9Fe3Si2），這樣在鋁合金中存在游離態(tài)的Si相、α相（Al12Fe2Si）、β相（Al9Fe3Si2）等陰極相粒子和陽(yáng)極相Mg2Si粒子。α相和β相對(duì)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(diǎn)處殘留物的成分主要是游離Si相和AlFeSi相，同時(shí)發(fā)現(xiàn)氯元素在殘留物處也發(fā)生了吸附，這說(shuō)明Cl-參與了腐蝕過(guò)程。腐蝕區(qū)中鋅元素含量較基體高得多，說(shuō)明合金中的雜質(zhì)元素鋅也參與了腐蝕過(guò)程。

　　陽(yáng)極氧化工序中，陽(yáng)極相Mg2Si是合金的點(diǎn)蝕源。在陽(yáng)極氧化堿洗時(shí)，Mg2Si粒子優(yōu)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(lái)，當(dāng)蝕坑聚集在晶粒上就會(huì)使該晶粒顏色發(fā)暗。在硫酸中和工序中硅不易除去，故斑點(diǎn)腐蝕蝕坑底部硅含量較其他區(qū)域高。

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斑點(diǎn)腐蝕的成因分析

　　影響斑點(diǎn)腐蝕的主要因素有預(yù)處理過(guò)程中的堿洗溫度、堿洗時(shí)間以及合金成分中的Zn、Fe、Si元素含量與合金的擠壓狀態(tài)等。在諸多因素中，擠壓狀態(tài)起著關(guān)鍵性的作用，它關(guān)系到對(duì)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(qū)中，斑點(diǎn)腐蝕分布具有明顯的方向性，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域擠壓時(shí)阻力較大，應(yīng)力多在此集中，該處金屬的晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，成為局部高自由能區(qū)，在隨后的再結(jié)晶過(guò)程中優(yōu)先形核，為了降低界面能和處于穩(wěn)定態(tài)，此處晶粒不僅異常長(zhǎng)大，而且Mg2Si陽(yáng)極相、游離Si、FeSiAl、FeAl3等陰極相優(yōu)先析出，為后續(xù)的斑點(diǎn)腐蝕創(chuàng)造了條件。

　　由于上述原因，在析出游離Si、FeSiAl、FeAl3等金屬問(wèn)化合物的晶界附近出現(xiàn)硅鐵元素的貧乏區(qū)，此區(qū)近乎為純鋁，電位為負(fù)是陽(yáng)極，它與金屬間化合物（是陰極）構(gòu)成了微電池，在腐蝕介質(zhì)的作用下，微電池中陰極相（如游離Si、FeSiAl、FeAl3）周?chē)腟i、Fe貧乏區(qū)（是陽(yáng)極相）優(yōu)先溶解，而Mg2Si也發(fā)生溶解，結(jié)果陽(yáng)極相周?chē)鶤l的溶解形成了帶有殘留物的腐蝕坑，陽(yáng)極相溶解則形成沒(méi)有殘留物的腐蝕坑。

當(dāng)腐蝕條件繼續(xù)惡化（如溫度上升、堿洗時(shí)間長(zhǎng)等）的情況下，基體Al繼續(xù)溶解，腐蝕坑向深的方向發(fā)展，于是表面形貌就表現(xiàn)為部分帶有殘留物的腐蝕坑和部分無(wú)殘留物的腐蝕坑，由二者構(gòu)成了前面所述的斑點(diǎn)腐蝕。

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斑點(diǎn)腐蝕生成機(jī)理分析

　　6063是Al-Mg-Si系合金，Mg2Si的時(shí)效強(qiáng)化相。為提高合金強(qiáng)度，生產(chǎn)中常使Si元素含量過(guò)剩，由過(guò)剩Si便形成了游離Si、FeSiAl相粒子。這些粒子在擠壓工藝不當(dāng)及熱處理不規(guī)范的情況下，可能導(dǎo)致與FeAl3、Mg2Si粒子一起在晶界處偏聚（或偏析），這就構(gòu)成了點(diǎn)蝕源。

根據(jù)腐蝕學(xué)理論，陰極質(zhì)點(diǎn)周?chē)年?yáng)極鋁會(huì)優(yōu)先腐蝕，生成的Al3 向陰極擴(kuò)散，而溶液中的OH-向陽(yáng)極擴(kuò)散，終在陰陽(yáng)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(gòu)成白點(diǎn)。即所謂的斑點(diǎn)腐蝕。相應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

Al→Al3 3e（陽(yáng)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(guò)程，促進(jìn)腐蝕不斷擴(kuò)展、加深。

　　Zn元素堿洗時(shí)隨Al的溶解而以Zn（OH）42-和Zn（OH）-3的形式溶于堿液中。又因?yàn)閆n的電位（-0.76V）較Al的電位（-1.67V）正，當(dāng)堿液中Zn離子的濃度增至一定數(shù)值時(shí)，Zn就會(huì)選擇性地沉積在腐蝕坑中的殘留物上，所以會(huì)出現(xiàn)Zn元素偏高的異常現(xiàn)象。另一方面，由于Zn、Al二者的電位差較大，導(dǎo)致微電池中的腐蝕電流很大，陰極性粒子Fe、Si貧乏區(qū)（基本為純鋁）溶解較快，這種腐蝕終表現(xiàn)為斑點(diǎn)腐蝕。

4.2

Cl-的活化作用

　　作為外部因素的Cl-對(duì)斑點(diǎn)腐蝕非常敏感，具有誘發(fā)、加重點(diǎn)蝕的作用。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脫脂酸中的Cl-會(huì)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(jié)構(gòu)，在酸性介質(zhì)的作用下，局部腐蝕電流較大，此時(shí)Cl-與溶解的A13 發(fā)生如下絡(luò)合反應(yīng)：Al3 Cl- H2O→AlOHCl H ，使溶液的酸性進(jìn)一步加強(qiáng)，腐蝕條件更加惡化。

當(dāng)Cl-濃度時(shí)，絡(luò)合反應(yīng)向右進(jìn)行，鈍化膜上的活性點(diǎn)會(huì)大大增加，在隨后的堿洗過(guò)程中優(yōu)先溶解，從而出現(xiàn)較為嚴(yán)重的斑點(diǎn)腐蝕。

4.3

pH值的促進(jìn)作用

　　水洗水中的pH值小于2或者大于4時(shí)，很少發(fā)生斑點(diǎn)腐蝕。顏色發(fā)暗時(shí)的晶粒由灰色向黑色轉(zhuǎn)變過(guò)程中，水洗槽中的pH值起到了一定的促進(jìn)作用。

　　當(dāng)水洗水中pH＞4時(shí)，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(méi)有腐蝕發(fā)生；當(dāng)pH＜2時(shí)，鋁型材表面處于活性溶解狀態(tài)，無(wú)鈍化膜形成，所以也不會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)腐蝕。

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結(jié)論

　　6063鋁型材斑點(diǎn)腐蝕是因鋁合金中陽(yáng)極相Mg2Si的偏析、粗化引起的，而合金中雜質(zhì)元素Zn及溶液中Cl-和pH值加速了斑點(diǎn)腐蝕的發(fā)生與發(fā)展。

應(yīng)適當(dāng)調(diào)整合金中的鎂硅元素質(zhì)量比，不宜使硅元素含量過(guò)高，并合理安排時(shí)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(guò)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(shè)計(jì)方法及分析

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模具設(shè)計(jì)原理

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模具設(shè)計(jì)分析

4.1 上模設(shè)計(jì)

   從圖2中可知，分流組合模上模的型芯是凸在上?；w外側(cè)的，基根部與基體相連接，因此，在上?；w與型芯相連接的模體部分必然是一個(gè)實(shí)體。為了實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)出一個(gè)階梯式方孔，如圖5所示，將上模型芯部分設(shè)計(jì)成如圖6所示的與上模本體鑲嵌的形式，基根部設(shè)計(jì)成方形，與基體上相對(duì)應(yīng)的方孔按H8/r7的配合形式設(shè)計(jì)，這樣就使上模型芯與上模本體間以過(guò)渡配合的形式相連接。方形的設(shè)計(jì)可以有效地防止鑲塊在基體中轉(zhuǎn)動(dòng)。

▲圖5 鑲嵌式上模

▲圖6 上模鑲塊

由于分流組合模在工作時(shí)，鋁料是從流口方向進(jìn)入模腔的焊合室內(nèi)，為了防止型芯在強(qiáng)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(shè)計(jì)成形式的方孔，同時(shí)設(shè)計(jì)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(shí)不至于從上模本體中擠出，更換時(shí)只需取下堵板和螺栓，即對(duì)型芯進(jìn)行更換，簡(jiǎn)便易操作。

▲圖7 堵板  

4.2 下模設(shè)計(jì)

   對(duì)于下模的可互換式設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方案要比上模簡(jiǎn)單，且容易加工。由于下模型孔是在焊合室平面內(nèi)加工成形的，因此，根據(jù)工作時(shí)的受力特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)下模時(shí)，將焊合室底面設(shè)計(jì)成如圖8所示的階梯形式，與之相配合的下模型孔也設(shè)計(jì)成相對(duì)應(yīng)的階梯形式，如圖9所示。在下?；w與型孔鑲塊相配合處采用H8/r7的過(guò)渡配合形式。這種階梯式的設(shè)計(jì)方案，可以有效地避免型孔鑲塊在擠壓時(shí)從下模基體內(nèi)擠出。在裝配時(shí)下模鑲塊可直接沿階梯方向裝入下模基體即可，不需進(jìn)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(jié)論分析

這種分流組合?；Q式的設(shè)計(jì)方案，不論是方管還是圓管系列都可以采用此設(shè)計(jì)思路，即可減少和避免大量的材料浪費(fèi)，還可縮短模具的加工周期，提高模具的加工速度，為生產(chǎn)贏得寶貴的時(shí)間。這種設(shè)計(jì)方案只適用于單型芯的分流組合模的設(shè)計(jì)，對(duì)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(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝從型芯代面固定的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于上模鑲合金模具耐磨且生產(chǎn)產(chǎn)量高，不易磨損掉并且模具使用周期長(zhǎng)，壽命高。

鋁型材擠壓模具的合理使用、維護(hù)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(qiáng)度。

　　模具剛進(jìn)入服役期時(shí)，內(nèi)部金屬組織性能還處于浮動(dòng)階段，在此期間應(yīng)采用低強(qiáng)度的作業(yè)方案，以使模具向平穩(wěn)期過(guò)渡。

　　模具使用中期，由于模具的各項(xiàng)性能已基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，類似與剛過(guò)磨合期的汽車(chē)，可適當(dāng)提高使用強(qiáng)度。

　　到后期，模具的金屬組織已經(jīng)開(kāi)始惡化，疲勞強(qiáng)度，穩(wěn)定性和韌性經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)服役已經(jīng)開(kāi)始走入下降曲線，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低模具的使用強(qiáng)度直至模具報(bào)廢。

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　　加強(qiáng)模具在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中的使用維護(hù)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(yàn)收到模具使用結(jié)束報(bào)廢，這中間時(shí)間短則幾個(gè)月，長(zhǎng)的達(dá)一年以上?；旧蟻?lái)講，模具的使用記錄也記載著型材生產(chǎn)的各個(gè)過(guò)程。

　　擠壓模具數(shù)量大、品種多，對(duì)每套模具的使用過(guò)程進(jìn)行管理，有利于幫助模具庫(kù)管理員、模具使用者和模具設(shè)計(jì)制造人員了解每套庫(kù)存模具的真實(shí)情況。模具的跟蹤記錄包括：

　?。?）模具的制造信息，包括每套模具的設(shè)計(jì)圖紙，制作記錄、檢驗(yàn)記錄（精度值，硬度值）等。

　　（2）模具每次上機(jī)擠壓的工藝信息，如加溫時(shí)間、鋁棒溫度、模具溫度、擠壓速度、擠壓力、突破壓力、鋁棒長(zhǎng)度、合格品支數(shù)、型材線密度、成材率等。

　?。?）每套模具的次修模方案、氮化處理時(shí)間、出入模具庫(kù)時(shí)間、報(bào)廢或返回模具廠維修的時(shí)間和原因等，這些記錄的收集對(duì)改進(jìn)模具管理、核算模具成本、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和修模、評(píng)判模具質(zhì)量好壞、提高擠壓生產(chǎn)的穩(wěn)定性、合理使用模具、確定模具較低庫(kù)存等工作都有著直接的影響。