5052 铝合金阳极氧化黑条缺陷分析

吴春江

（中铝瑞闽股份有限公司，福州350015）

0 前言

铝合金材料的硬度较低，耐磨性较差，可以通过阳极氧化的方式在其表面生成一层氧化膜，以提高其表面硬度、耐磨性及耐蚀性，该技术在工业领域应用广泛[1]。同时，阳极氧化膜着色后能够制出各种色彩的装饰外观，可以用来制作笔记本、手机等电子产品的外壳[2]。

5052合金铝板材具有良好的成形加工性能、抗蚀性、中等强度等，广泛运用在制造飞机油箱、油管以及交通车辆、船舶的钣金件、电子3C产品的结构件和外观件等工业和民用消费领域。其中，国产5052阳极氧化材近几年在国内手机和笔记本电脑外观件上的应用比例大幅提高，性价比极高，有逐渐取代进口材料的趋势。

本文分析了5052铝合金轧制板阳极氧化后出现的黑条缺陷产生的原因，并提出了相应的解决措施。

1 试验材料及方法

铝合金阳极氧化工艺流程主要包括以下环节：样品打磨除油→水洗→碱蚀→水洗→中和→阳极氧化→封闭晾干[3]。为了获得质量完好的铝合金阳极氧化层，进行阳极氧化的铝板表面需平整，否则容易出现黑色斑点及条纹等缺陷[4-5]。

试验材料为5052铝合金轧制板阳极氧化后的板材，如图1所示。由图可知，阳极氧化后的铝板氧化膜完整，表面较为平整，整体呈银白色，但在划线处出现细黑色条纹。从图1虚线框所示位置黑色条纹附近取样，采用日立SU 5000型热场场发射扫描电镜（SEM）进行黑色条纹的微观组织分析，采用能谱仪对黑色斑点及条纹进行定性分析。

图1 阳极氧化后黑条宏观形貌

2 试验结果与讨论

2.1 微观组织

采用扫描电镜对5052铝合金轧制板阳极氧化试样进行观察，结果如图2所示。由图2（a）可知，经过阳极氧化后的铝板表面形貌完好，表面平整，仔细观察可见灰色斑点。将其A区放大，在图2（b）中部位置处具有较多的灰色斑点。进一步放大B、C区，由图2（c）可知，铝合金表面出现了点状及短棒状灰色斑点，图2（d）处出现尺寸约为20 μm的黑色条状缺陷，其周围分布着短棒状及灰色斑点。

图2 扫描电镜显微形貌组织

2.2 能谱分析

采用能谱仪对黑色斑点及条纹进行定性分析，针对图2所示B区和C区中的1、2、3、4位置进行能谱分析。其中：1#点位主要成分为：42.84Al、42.73O、10.10N、1.93Mg、1.85S、0.30P、0.25C（质量分数，%,下同）。2#点位主要成分为：35.52Al、43.91O、16.35Si、1.50Fe、2.07S、0.18C。3#点位和4#点位二者的元素基本一致，主要成分为Al、O，且含有少量C、Mg、S等杂质元素。由能谱仪分析可知，阳极氧化后的铝合金表面生成了一层Al2O3氧化膜，其中的黑色斑点为N、Mg、Si、P、C、Fe、O等杂质元素

图5 3#点位能谱分析

图6 4#点位能谱分析

3 分析与讨论

3.1 机理分析

阳极氧化过程是将提前处理好的铝合金放入合适的电解液中，以铝合金作为阳极，以铅板等惰性电极作为阴极，外加电流，使铝合金表面生成一定厚度的氧化铝膜。其反应式为：

阳极反应：2Al+3H2O-6e-→Al2O3+6H+

阴极反应：2H++2e-→H2↑

在生成氧化膜的同时，由于酸的作用氧化膜的溶解也同时进行，其反应式为：

氧化初期，膜的生成速度大于溶解速度，则膜的厚度不断增加，随着膜厚的增加，其电阻增大，阻碍膜的生成速度，直到成膜速度与溶解速度达到平衡时膜的厚度即达到一定值，即可得到结构为蜂窝状的氧化膜[6]。再对该氧化膜进行电解着色后封孔，即可得到独特的色泽精美且性能稳定耐用的氧化膜[7]。

如果在阳极氧化处理的表面存在杂质或材料机体受到损伤，将会导致阳极氧化膜不均匀，影响氧化膜的反射率、颜色和耐蚀性，造成阳极化处理后有的地方出现黑色斑点，色泽发暗不光鲜，从而直接影响铝合金外壳的美观[8]。同时，缺陷和杂质的存在，会使得阳极化处理时的样品表面电流不均匀，电解液在凹陷处流动速度减缓，在凸起处流动快，致使阳极化处理的表面出现不均匀的状态，最终形成明显的黑色条纹。

通过表面形貌观察和能谱成分定性分析可知，产生缺陷的原因在于阳极化处理前该铝合金外壳上存在轧制时产生的“条痕”缺陷和材质本身含有的杂质。能谱定性分析发现，该杂质物主要含有N、Mg、Si、P、C、Fe、O等杂质元素。

对试验样品生产工序过程所接触的可能污染源进行对比分析可知：热轧工序加热炉的炉灰、乳液灰分残留和轧辊表面残留物的成分主要为Si、O、Fe、Cr、Al、Mg；其中的N元素主要来源于熔铸过程中使用的氮化硼。因此，缺陷产生的主要原因在于坯料热轧前的铸锭清洗不彻底、轧制阶段轧辊表面附着物没有完全被辊刷清理干净导致带材表面在轧制时受到损伤从而产生条痕缺陷并造成杂质残留在条痕缺陷处。另外，熔铸过程中净化和过滤不充分致使铝材基体中残留一定的杂质也是缺陷产生的次要原因。

3.2 缺陷防范措施

综合上述分析，针对5052合金阳极氧化黑条缺陷可以从以下几方面进行改善和防范：

热轧工序段：（1）改进热轧辊刷压靠，控制合适的压靠力，确保辊身范围均匀受力；（2）适当提高终轧温度，减少铝粉和乳液残留，使投入冷轧生产的板坯表面干净无残留；（3）定期清理加热炉膛，确保清洁，严格控制轧前铸锭清洗的质量，确保铸锭表面清洁。

熔铸工序段：（1）严格控制熔铸过程中与熔体质量密切相关的过滤和除气等工艺操作，重点控制流槽表面清洁，避免杂质带入熔体；（2）原料如果为电解铝液铸造合金扁锭，重点要关注电解液的电解质等纯净度控制。

4 结论

5052铝合金阳极氧化后易出现黑色条纹及斑点。通过分析得知，该缺陷主要为铝材表面本身存在的条痕缺陷和杂质，且主要出现在热轧过程的辊刷压靠力、终轧温度和坯料原始冶金质量等环节。因此，改进措施也从这两方面入手，通过合理控制压靠力、适当提高终轧温度、保障熔铸过程的过滤和除气工艺效果等举措，可以有效防范缺陷的产生。