当前我国建筑铝型材质量状况
蔡应铎 陈友纯
（榕港铝业有限公司）
我国自第一条建筑铝型材生产线引进至今已有14个年头了，型材挤压机从30多部发展到560多部，型材生产的产量、质量都在日新月异地发展和进步。但是建筑铝型材的产品质量同国际水平相比，绝大部分还相差甚远，因此迅速提高型材质量已成为当务之急。
过去一段时间，我国专业厂家和有关科技工作者把绝大部分精力投放于阳极氧化和电解着色的槽液研究和工艺改进上。而今也逐渐认识到提高建筑铝型材的产品质量是一项复杂的系统工程，它与挤压型材的质量、添加剂质量及阳极氧化电解着色、封孔等工艺有关。我们就这些部分提出粗浅的看法和意见，供同行们共同研究，以尽快使我国建筑铝型材的产品质量达到国际水平*使我国年产70万吨型材的生产能力发挥出来。在国际市场中占有一席
之地，避免在关贸总协定生效后建筑铝型材这一行业受到冲击。
1 挤压型材坯料部分
首先应该指出，高纯铝的坯料能得到最好的阳极氧化和电解着色的效果。由这一结论引出合金成分一致，组织状态均匀相同的型材坯料是获得优良产品质量的前提。
1.1 合金成分的选定
1.1.1控制低硅镁成分 LD31铝合金成分控制范围较宽。为保证产品机械性能达到国家标准要求，很多厂家都采用提高Mg2Si强化相含量的办法，这样要提高镁和硅元素的含量，势必影响阳极氧化膜的连续性和均匀性。根据图1可见，Mg2Si总量控制在0.7%左右，再通过高温均匀化处理，使得Mg2Si相充分溶解在“固溶体中，随后采用正确的挤压和时效工艺，制品性能完全能达到国家标准的要求。提倡用低镁、硅成分，既能保证性能和表面质量，又有利于氧化着色工艺。美国阿尔卡公司实验室提出易压型、高表面型以及全面型化学成分范围，是值得我们仿效的。即对型材的不同使用要求，采用不同的成分，以达到最佳表面质量和性能要求。
1.1.2建议采用化学成分控制范围窄的企业内控标准 化学成分控制范围太宽既难于控制镁硅比，又难于使不同断面型材和不同批量的产品成分趋于一致。先进地区化学成分控制波动不大于士0.2%范围，这就应该提高炉前分析精确度，炉前合金添加要精确称量，且取样前应充分搅拌，达到快速精确地控制合金成分。
1.1.3关于镁硅比控制问题 LD31合金的唯一强化相是Mg2Si，镁硅的重量比为1.73。合金中镁硅比大于1.73时，合金中镁含量过剩；镁硅比小于1. 73时，合金中硅含量过剩。有人从铝硅合金阳极氧化后氧化膜呈灰色，从而得出镁过剩好的看法，这是一种错误和片面的结论，其理由是：(1)过剩镁会显著降低强化相Mg2Si在铝中的固溶度，从而削弱热处理强化效果，降低强度（见表1）。由表1可见，LD31合金中随过剩镁量的增加，Mg2Si强化相在铝中的溶解度明显下降，从而降低了淬火时效强化效果，削弱了合金化效果。(2)采用硅过剩成分，有利于合金性能的提高（见表2）。从表2可见，随过剩硅总量的增加，LD31合金性能有明显的提高。文献指出，过剩硅会显著提高自然时效效果，并且强度和自然时效速度随着过剩硅含量的增加而增加。(3)采用过剩硅的成分，有利于消除有害杂质铁的影响，并确保Mg2Si强化相形成。
图1力学性能与Mg2Si含量的
关系曲线
表1 过剩Mg对LD31合金不同温度下Mg2Si相在铝基体中溶解度的影响
Mg.过剩量(%) 温度 ( C) 100 300 400 500 535 577
0 0.25 0.30 0.53 1.05 1.26 1. 65
0.20 Mg2Si 0.05 0.16 0.35 0.85 1.15
0.40 溶解度(%) O.O1 0.20 0.69 0.97
0.80 0 0.45 0.67
l.OO 0 0.36 0.55
表2过剩硅对LD31合金力学性能的影响
组成(%) 相组织(%) 力学性能(N/mm2)
Mg Si Fe Mg2Si 过剩硅 乱 。机2
1 0.50 0.35 0.16 0.79 O.O1 218 187
2 0.50 0.43 0.16 0.79 0.08 2.35 213
3 0.50 0.48 0.24 0.79 0.13 250 227
由于原料中带来的杂质铁，会优先与硅生成8相(Ai5FeSi)，消耗合金中部分硅，使生成Mg2Si所需的硅量减少，因此要确保合金处于Mg2Si+Si相区内，必须采用过剩硅的化学成分。
原料中杂质铁在硅贫乏情况下形成尖状或棒状FeAl3化合物，其大小从数微米到数拾微米之问，其电极电位同铝不同，从而破坏了阳极氧化膜的连续性和均匀性，损坏型材外观质量。霹相在均匀化过程中，随着铁硅元素的固溶和包析反应形成细小的n相，使铁的危害降到最低水平。据有关报道，过剩硅量超过0.2%才会对氧化膜的“灰化”有影响。因此合金化中，应根据本企业内控标准中铁元素的含量来确定过剩硅量，使型材有足够强度的同时，既保证了挤压高速度、模具消耗降低，又保证了型材经阳极氧化电解着色后有高的表面质量。由于铝型材，的成本主要取决于原铝锭的价格，个别企业从国外进口废料以降低成本，废料难免带进铁件，使铁量增高。因此建议加强铸锭管理，把低品位铝锭和废料多投放于生产银白色型材。铁元素形成的化合物会加速碱蚀速度，增加表面的漫散射率，使氧化膜外观有“厚”的感觉。
所有外来元素和杂质均降低氧化膜的透明度，因此要获得高质量的型材，对杂质含量应严加控制。另外，应注意的是：在铸造中添加的铝钛硼作为变质剂，TiAl3和TiB累计数对着色效果的影响，过渡族和副族元素在铝中多形成棒状的化合物，对氧化膜结构影响很大，少量会影响色材的色调，多的上不了色。实践中曾出现过稀土铝钛硼变质剂影响着色材基调的事例。
1.2熔炼铸造工艺
该工艺的核心是要获得尽量干净的熔体和获得均匀细晶粒的铸造组织，该工序对最终产品质量至关重要，但尚未引起普遍重视。目前国内仿英国的精炼剂和在流槽辅以陶瓷过滤片或多层玻璃丝布过滤，均能有效地起到除渣除气效果。采用等水平流槽，防止氧化膜卷入铸锭等措施，均能有效提高铸锭质量。铸锭的变质处理，除防止铸造热裂纹，提高铸造成品率以外，细晶粒组织有利于合金元素和杂质相的均匀分布，消除偏析，缩短均匀化时间，最终有得于色差的消除。
1.3 合金铸锭的均匀化处理
合金铸锭均匀化处理旨在消除铸造过程形成的不平衡组织，由于Mg、Si组元的扩散速度大于B铁转化成C铁相的速度，判断均匀化完成情况，主要取决于3铁相转变的程序。实验证实580'C．2h和560'C，4h均能达到完全均匀化效果。对于挤压铸锭直接采用工频感应加热，无法消除冶金缺陷，第2相沿挤压方向成条纹分布，第2相由于没有固溶（或少量固溶），使变形抗力增大，挤压力增大，挤压速度减小，挤压电耗增加，型材表面粗糙，空气淬火效应降低，最终机械性能降低，其最坏影响是组织不均匀，导致氧化着色后型材表面质量恶化。实践证明均匀化增加的能量消耗，可以从成品率上得到补偿。
铸锭均匀化处理最好采用整根铸锭加热，快速冷却后锯成需要的长度，或直接通过工频加热后，利用工频炉前端的液压剪刀热剪成需要的长度。避免短锭在均匀化高温加热期间，端面形成比较厚的氧化膜，在挤压过程又卷到型材表丽，损坏型材表面质量。LD31合金经均匀化后，由于Mg、Si元素充分固溶，采用阿尔卡公司推荐的化学成分，完全能满足有关标准对机械性能的要求。
1.4挤压工艺
1.4.1控制挤压垫与挤压筒的间隙 要注意挤压垫（也称压饼）同挤压筒的间隙配合，防止挤压简残留氧化铝。在挤压过程中，由于挤压筒与挤压垫间隙大、偏心，垫与筒接触部分会把筒上的残留氧化铝刮到铝锭中，贴附在型材表面，氧化着色后会出现点状黑点，使型材报废。
图2 6063铝合金型材热处理周期
1.4，2注意挤压铸锭温度控制 采用工频加热的单位，建议采用等温挤压工艺。铝锭加热时有意将铸锭头部加热到挤压要求的温度，往后逐渐降低温度，利用挤压变形功使铸锭尾部温度提高，防止挤压温度过高、模具粘铝，影响型材表面质量。国外在挤压机前牌坊内安装氮气管道，冷却模具工作带，防止模具工作带温度过高，出现粘铝和降低模具耐磨性能。
1.4.3足够大的风淬冷却风量 LD31合金中Mg2Si相，当冷却速度小于38℃/h时会脱溶析出，氧化后在型材表面出现黑斑。
图2为Mg2Si相在风淬时可能析出的温度范围。对大断面厚壁型材，如玻璃幕墙的主力杆型树，在南方夏天气候下，其冷却曲线很有可能同Mg2Si开始析出曲线相交，性能下降，氧化着色基调改变，因此建议在挤压机前牌坊出口处安装喷雾冷却装置。这样既保
证有足够的冷却量，又防止水冷收缩不均造成型材形位超差。雾冷是一项节能有效的措施。
1。4.4拉伸校直量要控制均匀 防止拉伸变形量过大，型材表面出现“枯子皮”缺陷。
1.4.5型材挤压后要控制自然时效的停放时间 图3显示，停放2h后人工时效硬度最好，随停放时间增加，硬度下降。生产中不可能挤压后2h马上进行人工时效，但是规定统一的停放时间，可以防止不同停放时间对氧化着色造成的影响。再者要测定时效炉内温度梯度，防止型材局部已过时效，另一部分还未达到时效温度，造成同一根型材上色调的差异。
1.5模具设计制造
由于模具设计制作的原因，造成型材表面缺陷的现象很多，详见日本铝业协会出版、北京有色金属研究总院翻译的“挤压型材缺
图3LD31合金停放时间对性能的影响
陷与对策”一书。这里强调的是门窗铝型材种类繁多。断面面积大小差异很大，由于塑性变形程度不一，从而组织均匀性不一致，最后导致型材着色后基调的变异，因此对同一系列门窗用型材，应该采用不同吨位的挤压机，采用相近的挤压系数进行生产。如果没有多台挤压机，也应采用多孔模具挤压，以保持变形程度尽量一致。
采取以上措施，目的是使挤压后的型材，不论化学成分，还是组织状态均要达到均匀一致，为氧化着色提供一致的型材坯料。
2 阳极氧化和电解着色
氧化着色工艺过程及添加剂的选择，对型材的表面质量有很大影响，为了得到优良的表面质量，不仅要有先进的工艺技术，而且必须有严格的管理。氧化着色过程的每道工序都对最终产品质量产生直接影响。
2.1 选择合适的碱蚀添加剂
碱蚀处理的目的是使型材表面彻底脱脂，除去天然氧化膜，并使型材表面达到一定的平整程度。为了达到上述目的，必须选择适当的添加剂及与其相适应的工艺操作要求。碱蚀添加剂必须具有较强的抑制结垢能力，优良的脱脂、均蚀、缓蚀能力。现在生产添加剂的厂家很多，大都比较偏重于抑制结垢能力——槽液的溶铝量指标，有的铝离子浓度可达160~170g/L，而实际过程一般在80g/L以下，过高的溶铝量使槽液的粘度过大，碱损耗太高。碱蚀槽液的均蚀、缓蚀能力直接影响型材表面的光泽度及颜色，这是更重要的。另外，在实际生产过程中，碱蚀工艺参数，即槽液温度、碱浓度、铝离子浓度及蚀洗时间等在一定范围内变化，槽液对单位表面积铝型材在单位时间内的溶蚀量应该相对稳定，才能保持型材表面的一致性。总之，铝合金型材的碱蚀工序直接影响型材的表面光泽度及颜色。因此必须选择优良的添加剂，使槽液具有优良的均蚀、缓蚀能力和抑制结垢能力及良好稳定性。
2.2阳极氧化对电解着色的色调有明显的影响
由于电解着色是金属离子在氧化膜微孔底部还原沉积，因此氧化膜结构、阻挡层厚度和均匀性对色调都会产生影响。影响氧化膜结构特性的主要因素是：硫酸浓度、A1+3含量、电流密度和温度。
2.2.1 硫酸浓度 一般控制在170±20g/L。阳极氧化过程是氧化膜生成及溶解同时进行的过程。硫酸浓度过高，氧化膜的溶解速度加大，成膜速度减小；浓度过低，氧化膜溶解速度减小，氧化膜暗淡无光泽，甚至出现彩色条纹。
2.2.2 电流密度 电流密度一般控制在1.20±0.05A/dm2，提高电流密度可提离氧化膜的成膜速度及孔隙度，但阳极电流密度过高，引起局部过热，会加速氧化膜的溶解，氧化膜疏松，甚至被腐蚀；电流密度过小，成膜速度减小，氧化膜过于致密，不易着色。
2.2.3温度 氧化槽液的温度过高，会使膜的溶解速度加快、成膜速度降低、膜层硬度降低、疏松起粉、不均匀、不连续，影响着色效果及封孔质量；槽温过低，氧化膜发脆、易裂。一般应控制在20±2'C。
2.3 电解着色槽液组成及工艺条件对色调的影响
2.3.1槽液组成 Sn盐着色液中SnSO4、H2SO4及添加剂的组成和含量都会影响着色型材色调的变化。随着SnS04、H2SO4含量的提高，色调出正黄偏绿向正黄偏橙偏移，加入某些添加剂，如氨基磺酸、酒石酸等，色调也会向偏橙偏移；加入柠檬酸会使色调向偏绿偏移；而添加酚类会使表面光泽度降低。
2.3.2着色电压 着色电压对着色速度及色调有一定影响，不同添加剂的着色电压略有差异，着色电压过高或过低，色调偏橙程度都会略有降低。
2.3.3升压速度 电解着色时，电压由零升到一定值，升压过程的时间长短，对颜色的深浅及色调有一定影响。当缓慢升压时，颜色较深，色调向偏橙偏移；而快速升压则相反，颜色较浅，色调向正黄偏移，所以一般升压时间为0.5～1 min。
2.3.4槽液温度 槽液温度对着色速度有一定的影响。对色调无明显影响，但对槽液的稳定性有一定影响。
随着我国建筑铝型材加工业的发展，国内不少高等院校、科研单位以及有关企业，开展了大量的添加剂研制，开发出不少优秀配方。但是其中也混杂些不甚成熟，甚至违反国家环保规定、严禁使用的药品。这种纷乱局面给企业分析产品质量及提出对策造成一定的困难。因此一方面要加强行业交流，使优秀的添加剂得到普遍推广应用；另一方面国家有关监督机构对添加剂厂家要加强管理，制定严格的产品标准，保证产品质量，使产品各项指标达到国际先进水平。
