表面處理工藝對5182H32和5052H32鋁合金陽極氧化條紋的影響

江鐘宇

(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110819; 2.中鋁瑞閩股份有限公司,福建 福州 350015)

5×××系鋁合金具有良好的成形性,經(jīng)陽極氧化后色澤均勻透亮,著色后經(jīng)久耐用,氧化膜強(qiáng)度高,廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑外墻和3C電子領(lǐng)域。隨著產(chǎn)品外觀要求的不斷提高,減輕或消除5×××系鋁合金陽極氧化條紋缺陷已成為鋁材生產(chǎn)廠、陽極氧化加工廠、使用終端等上下游研究的重點(diǎn)。

陽極氧化條紋缺陷在光鋁上不可見,必須經(jīng)表面拋光、噴砂、化學(xué)拋光和陽極氧化等一系列表面處理后,沿軋制方向才呈現(xiàn)出寬約1 mm、長度不規(guī)律的條紋色差。本試驗(yàn)以5182H32和5052H32鋁合金軋制板材為研究對象,探討百潔布拋光、噴砂壓力、化學(xué)拋光時間、陽極氧化時間等表面處理工藝對條紋明顯程度的影響,為陽極氧化5×××系鋁合金外觀件表面處理工藝的制定提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為0.6 mm厚的5182H32和5052H32鋁合金軋制板材,化學(xué)成分見表1,力學(xué)性能如表2所示。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of test alloy(wt/%)

表2 試驗(yàn)合金的力學(xué)性能實(shí)測值Table 2 Measured value of mechanical properties of test alloy

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

板材的生產(chǎn)工藝流程:熔鑄-均勻化退火-銑面-熱軋-冷軋-中間退火-冷軋-清洗-穩(wěn)定化退火-拉彎矯直。冷軋過程通過控制軋輥粗糙度和冷軋變形量,對成品的表面粗糙度進(jìn)行控制,兩種合金狀態(tài)的成品表面粗糙度相近,其中Ra=0.25 μm～0.35 μm,Rz=1.7 μm～2.4 μm。

在上述板材上切取大小為200 mm×200 mm的樣品各12張,隨后根據(jù)表面處理工藝流程制定試驗(yàn)方案,表面處理工藝流程:百潔布拋光→噴砂→化學(xué)拋光→陽極氧化。所有樣品的噴砂砂型均選用120#鐵砂,涉及變化的因素有是否進(jìn)行百潔布拋光、噴砂壓力、化學(xué)拋光時間、陽極氧化時間等四因素,每個因素下均設(shè)計兩個水平,因素水平表如3所示。

化學(xué)拋光液、陽極氧化槽液的配方和控制參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)方案如表5所示。通過比較不同方案的條紋等級,確定具體變量因素對條紋等級的影響。

表4 化學(xué)拋光和陽極氧化槽液控制參數(shù)Table 4 List of control parameters of chemical polishing and anodizing tank solution

表5 陽極氧化條紋影響因素正交試驗(yàn)方案Table 5 Orthogonal test plan for factors affecting anode stripes

在完成全流程表面處理后,將所有樣品在相同的觀察環(huán)境下進(jìn)行質(zhì)量評級,條紋明顯程度從差到好依次按1～5級進(jìn)行量化區(qū)分。分別使用3NH公司產(chǎn)品型號為YT5280的鋁基涂層測厚儀檢測氧化膜膜厚,使用3NH公司產(chǎn)品型號為HG60S的光澤度儀檢測60°角的光澤度值,使用時代公司型號為RT200的手持式粗糙度儀檢測粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對試驗(yàn)樣品在自然光下進(jìn)行檢測判斷,并逐一匯總評級,條紋等級定義如下,5級為外觀無色差條紋(如圖1所示),1級外觀有明顯縱向色差條紋(如圖2所示)。

圖1 陽極氧化表面5級條紋Fig.1 Anodized appearance stripe level 5

圖2 陽極氧化表面1級條紋Fig.2 Anodized appearance stripe level 1

條紋缺陷經(jīng)陽極氧化顯現(xiàn)出來后,根據(jù)條紋明顯程度評定結(jié)果如表6所示。

表6 陽極氧化條紋等級試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of anodic oxidation stripe defects

2.1 5182H32鋁合金陽極氧化后的條紋等級

5182H32鋁合金條紋等級的正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表7。

表7 5182H32鋁合金條紋等級分析Table 7 Analysis of stripe level of 5182H32 aluminum alloy

從表7計算結(jié)果可以看出,5182H32鋁合金陽極氧化后條紋最輕(即條紋等級最高)的工藝方案為A1B2C1D1,即在鋁材表面進(jìn)行百潔布拋光處理后,進(jìn)行3.0 kg的表面噴砂處理,隨后在經(jīng)60 s的化學(xué)拋光后進(jìn)行20 min的陽極氧化。

2.2 5052H32鋁合金陽極氧化后條紋等級

5052H32鋁合金條紋等級的正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表8。

表8 5052H32鋁合金條紋等級分析Table 8 Analysis of stripe level of 5052H32 aluminum alloy

從表8計算結(jié)果可以看出,5052H32鋁合金的最佳陽極氧化工藝方案為A1B2C1D1,與5182H32鋁合金相一致。對比表7和表8還可以看出,由于條紋等級的評價分類少,前三個因素對陽極氧化后條紋等級的影響程度不明顯,故增加部分補(bǔ)充試驗(yàn),試驗(yàn)方案和結(jié)果如表9所示。

表9 補(bǔ)充方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Supplementary plan and test results

增加方案9#～12#后,將有利于分析單一變化因素對表面條紋缺陷的影響規(guī)律。

3 分析和討論

3.1 鋁合金材質(zhì)對陽極氧化后條紋等級的影響規(guī)律

對比表7和表8可以看出,5052H32鋁合金的條紋等級極差在0.25左右,而5182H32鋁合金達(dá)到0.5,即工藝參數(shù)對5182H32鋁合金陽極氧化后的條紋等級影響更大,該差異可能與鋁合金屈服強(qiáng)度增加引起噴砂過程變形抗力增大和高M(jìn)g合金的耐腐蝕性差有關(guān),合金種類對陽極氧化后的條紋等級影響很大。通過比較四個因素的極差還可以發(fā)現(xiàn),兩個試驗(yàn)合金的條紋等級受陽極氧化時間影響最大。

3.2 噴砂壓力對陽極氧化后條紋等級的影響規(guī)律

噴砂壓力對不同合金陽極氧化后的條紋等級影響見圖3。

圖3 噴砂壓力與陽極氧化后條紋等級的關(guān)系Fig.3 Relationship between sandblasting pressure and stripe level after anodizing

從圖3a中可以看出,在相同的化學(xué)拋光和20 min的陽極氧化時間工藝條件下,對光鋁進(jìn)行百潔布拋光處理,或者增大噴砂壓力均有利于提升陽極氧化后的條紋等級;但延長化學(xué)拋光時間至40 s后,噴砂壓力的增加對改善陽極氧化后條紋等級的效果減弱。從圖3b中可以看出,僅改變噴砂壓力對5052H32鋁合金陽極氧化后的條紋等級無影響,但百潔布拋光處理有利于提高陽極氧化后的條紋等級,延長化學(xué)拋光時間會讓條紋加重。

引起該現(xiàn)象的原因是大噴砂壓力下的原始粗糙度和陽極氧化后成品的表面粗糙度均更高,粗糙度的增加遮蔽了陽極氧化條紋缺陷。

3.3 化學(xué)拋光時間對陽極氧化后條紋等級的影響規(guī)律

兩個試驗(yàn)合金在不同化學(xué)拋光時間下陽極氧化后的條紋等級如圖4所示。

圖4 化學(xué)拋光時間與陽極氧化后條紋等級的關(guān)系Fig.4 Relationship between chemical polishing duration and stripe level after anodizing

從圖4中可以看出,增加化學(xué)拋光時間,不能改善5182H32鋁合金陽極氧化后的條紋等級,而5052H32鋁合金在化學(xué)拋光時間較短的條件下可以改善,但時間增加到120 s后效果消失。

3.4 陽極氧化時間對陽極氧化后條紋等級的影響

將兩種合金在不同陽極氧化時長下的樣品條紋等級進(jìn)行比較,結(jié)果如圖5所示。

圖5 陽極氧化時間與陽極氧化后條紋等級的關(guān)系Fig.5 Relationship between anodizing duration and stripe level after anodizing

從圖5a和圖5b中均可以看出,延長陽極氧化時間后陽極氧化條紋等級均明顯變差。該現(xiàn)象應(yīng)是陽極氧化膜增厚使產(chǎn)品的表面粗糙度顯著降低,陽極氧化條紋缺陷逐漸顯現(xiàn)所致。

3.5 光鋁百潔布拋光對陽極氧化后條紋等級的影響

增加百潔布拋光對兩種合金陽極氧化條紋等級的影響見圖6。

圖6 百潔布拋光與試驗(yàn)合金陽極氧化后條紋等級的關(guān)系Fig.6 Relationship between surface polishing process and stripe level after anodizing

比較圖6中的數(shù)據(jù)可以看出,增加百潔布拋光打磨工藝可提升陽極氧化后條紋等級,但大噴砂壓力和長時間的陽極氧化處理會抵消百潔布拋光帶來的條紋等級提升。

4 結(jié) 論

1)5182H32和5052H32鋁合金,經(jīng)百潔布拋光處理和3.0 kg的表面噴砂處理后,再經(jīng)60 s的化學(xué)拋光和20 min的陽極氧化,產(chǎn)生的陽極氧化條紋最輕,且5182H32鋁合金條紋等級優(yōu)于5052H32鋁合金的,即陽極氧化后的條紋等級與鋁基材密切相關(guān),表面處理工藝只能在一定程度上減輕條紋。

2)鋁合金的屈服強(qiáng)度與噴砂后獲得的表面效果密切相關(guān),產(chǎn)品的噴砂壓力需根據(jù)產(chǎn)品外觀設(shè)計和要求調(diào)整噴砂參數(shù)。增大噴砂壓力可減輕陽極氧化后的條紋,但陽極氧化時間需進(jìn)行控制。

3)光鋁經(jīng)百潔布拋光能減輕成品陽極氧化后的條紋,尤其結(jié)合較大的噴砂壓力效果更好,但百潔布拋光處理減輕條紋的效果會隨氧化膜厚度的增加而減弱。

4)隨著陽極氧化時間的延長,在陽極氧化膜增厚的同時條紋逐漸加重。