热处理对6063铝合金阳极氧化的影响

贾明星  朱祖芳
（北京有色金属研究总院）

阳极氧化是在铝及铝合金表面制得高质量的功能、装璜和防护膜的好方法，在电子器件、机械零件和建筑装饰等领域已得到广泛应用。有关阳极氧化工艺因素对氧化膜质量的影响已得到人们重视。但有关铝合金材质结构对阳极氧化行为的影响尚未被人们普遍认识。本工作用不同热处理制度。改变6063挤压铝型材的组织结构，研究了6063铝合金的热处理对阳极氧化的影响。
1实验方法
  6063挤压铝型材取自北京铝材厂，化学成分见表1。将挤压铝型材在540℃保温20 min后，分别以水冷、空冷和随炉冷却到室温，再按如下四种时效制度进行处理：
     NA    自然时效    室温    290 h
    AA1    人工时效    160℃    8h
    AA2    人工时效    176℃    8h
    AA3    人工时效    250℃    2h
阳极氧化工艺为：丙酮除油    碱蚀    酸洗    阳极氧化    冷封孔。
表1  6063铝合金的化学成份
元素       Si        Mg     Fe    Cu       Mn       Zn       Cr        Ti
含量(%)   0.34      0.72     0.28   0.002    0.01      0.009     0.O12    0.005
  膜性能评定方法是测量阳极氧化膜增重，阳极氧化后60°镜面反射率以及根据ISO 3210测定氧化膜的封孔质量。还用LKB2128 ULTROTOME超薄切片机制备氧化膜超薄切片试祥,
在JEM-2OOOFX透射电子显微镜上分析氧化膜结构。
2实验结果
  三种冷却速度、四种时效状态的型材进行拉伸试验。抗拉强度（δb）与热处理状态的关系见图1。随淬火冷却速度的加快，δb显著增加，水冷的δb最高，空冷的次之，炉冷的最低。时效状态不同，δb相差很大。在同一冷却速度下，AA2时效状态的魂最高，AA1状态
的次之，AA3和NA状态的最低。水冷和空冷的试样，改变时效状态，δb变化很大；而炉冷的试样，改变时效状态对δb的影响很小。
    三种冷却速度淬火的试样，经自然时效后，光学金相结构表明水冷试样的晶粒细小，强化相Mg2Si析出量较少，呈均匀和弥散状析出；空冷试样Mg2Si相的析出量较水冷的多，但仍较均匀和弥散；炉冷的晶粒粗大，Mg2Si相大量析出，并呈针状。
    不同热处理状态的试样阳极氧化时的增重见图2。增重随阳极氧化时间的延长而增加，0～5 min重量增加较快；5min后，重量随时间线性增加。图中可明显地看出，水冷试样的氧化增重速率最快，炉冷的氧化增重速率最慢。
    热处理状态不同所得膜性能的差异也反映在阳极氧化后表面镜面反射率的变化上。热处理状态与60°镜面反射率的关系见图3。水冷试样的镜面反射率最高。随炉冷却的最低。相同淬火冷却速度的试样，时效状态不同，镜面反射率亦有些不同，NA时效状态的镜面反射率最高，AA1状态次之，AA2和AA3状态最低。总的来说，时效的影响较小，远不如冷却速度的影响程度。
    根据国际标准ISO 3210-1983测定不同热处理状态试样，经阳极氧化和冷封孔后在磷酸－铬酸溶液中的失重结果见图4。水冷试样的氧化膜失重最小，空冷的次之，炉冷的最大。同一冷速淬火的型材，时效状态不同，其阳极氧化膜在磷酸一铬酸溶液中的失重也有差别。NA状态的最小，AA1和AA2状态的次之，AA3状态的最大。
利用超薄切片方法制备阳极氧化膜试样，经透射电子显微镜分析，氧化膜的微观结构表明，水冷试样的阳极氧化膜结构单元和微孔规整、均匀，垂直于铝基体，氧化膜十分致密；空冷的阳极氧化膜结构单元和微孔较规整、均匀，垂直于铝基体，氧化膜也较致密；炉冷的阳极氧化膜结构单元和微孔紊乱，氧化膜生长不规整，局部的微孔不垂直于铝基体，与水冷和空冷试样的氧化膜相比，膜层显得疏松。

不同热处理状态的试样经阳极氧化处理后，表面膜层色泽和光亮度明显不同。水冷的表面最光亮，呈银白色；风冷和空冷的表面光亮度仅次于水冷的，呈白色；而随炉冷却的试样，表面光亮度很差，发暗，呈深灰色。
 

3结果分析及讨论
6063铝合金属可热处理强化的变形铝合金，Mg和Si为合金元素。合金从液态凝固时发生四个相变反应，最终凝固产物为大量的固溶体和Mg2Si相，以及少量Al5FeSi和A18Fe2Si相。Mg2Si是该合金中唯一时效强化相，通过Mg2Si相的过饱和固溶以及弥散沉淀析出而强化合金；而热处理状态可改变Mg2Si的过饱和程度、析出量及析出形态，因而会改变合金强度。这可由拉伸强度和金相分析结果所证实（见图1）。
MgSi相在阳极氧化时，其溶解速度比铝基体快，在氧化膜中形成一些空洞。利用电子探针能谱分析，发现在Mg2Si粒子上形成的氧化膜中大部分Mg被溶掉，膜内几乎不含Mg;而在Mg2Si粒子的溶解和消失过程中，Si基本上不溶，仍留在氧化膜中。
对于慢速冷却基材，析出火量粗大针状Mg2Si相，阳极氧化过程中发生快速溶解，使部分电量消耗于Mg2Si的溶解，降低了氧化膜的生长速度，因而使阳极氧化时的增重速率减小。反之，随基材淬火冷却速度的提高，由于Mg2Si相析出减少，导致阳极氧化增重速率加快（见图2）。
对于慢速冷却的基材，粗大的Mg2Si相在氧化过程中优先溶解时，Mg被溶解掉，Si仍存在于氧化膜，因而，降低了氧化膜的透明度。另外，氧化前的碱蚀面粗糙度随淬火冷却速度的减慢而增加。因此，慢速冷却的基材，氧化前的碱蚀面很粗糙，加上氧化膜透明度的降低，结果使基材氧化后的镜面反射率降低。反之，随基材淬火冷却速度的提高，阳极氧化后的镜面反射率增加（见图3）。
此外，时效状态不同，新相的脱溶程度不一。基于此因，也会影响阳极氧化后的镜面反射率。图3中就反映了NA状态的镜面反射率最高和AA3状态最低这一结果。
根据色度学观点，白黑系列出白色、浅灰、中灰、深灰直到黑色的非彩色变化规律，实质上代表物体表面反射率的变化，即视觉上的明度变化。物体的反射率愈高，明度愈高，愈接近于白色。热处理状态对阳极氧化后镜面反射率的影响可由表观颜色不同反映出来。随淬火冷却速度的提高，表面颜色就愈白。正如宏观观察的结果一样，水冷基材的表面最光亮，呈银白色；而炉冷基材的表面最暗，呈深灰色。
慢速冷却的基体中所存在的粗大MgSi粒子，氧化时发生快速溶解，在氧化膜中形成许多空洞，造成氧化膜疏松。大量空洞的形成使氧化膜生长不规整，结构单元和微孔十分紊乱，局部区域的微孔不垂直于铝基体。水冷基材的氧化膜最致密，空冷的次之，炉冷的最疏松。因此，其封孔质量也不一，水冷基材的封孔质量最好，空冷的次之，炉冷基材的最差。即随淬火冷却速度的加快，阳极氧化膜封孔质量提高。同样，时效状态对封孔质量也有影响，NA时效状态的封孔质量最好，AA1和AA2次之，AA3最差。
4 结论
1.热处理状态对6063铝合金型材的阳极氧化行为有较大影响。随淬火冷却速度加快，氧化膜生长速度加快，氧化增重增大。快速冷却淬火的，其阳极氧化膜结构单元和微孔十分规整、均匀，垂直于铝基体，膜层致密；而慢速冷却的，其氧化膜结构单元和微孔紊乱，不均匀，局部微孔不垂直于铝基体，膜层疏松。
2.随基材淬火冷却速度的加快，阳极氧化膜的镜面反射率增加，在视觉上表现为表面光亮度增加，颜色变白。相同冷速淬火的基材，自然时效状态的镜面反射率最高，表面最亮，最白；人工时效的表面较暗。
3. 6063铝型材阳极氧化膜的耐蚀性随淬火冷却速度的减慢而降低，水冷基材氧化膜的耐蚀性随淬火冷却速度的减慢而降低。水冷基材氧化膜的耐蚀性最好，炉冷的最差。同一冷速的，自然时效后阳极氧化膜的耐蚀性优于人工时效的。