任浩铭，张 弟，屈乐柱，曹振华，任玉宝
（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳 111000）
铝合金型材凭借其强度高、寿命长等优点，已广泛应用于建筑、汽车、通讯、电子等行业[1]。以6×××系合金为例，该合金具有良好的阳极氧化性，其氧化膜层具有很好的耐蚀性和耐磨性，对型材具有保护作用，大大延长了铝型材的使用寿命[2]。但在6×××系合金氧化生产过程中，容易出现如膜厚低、膜厚不均、腐蚀、封孔不合格、表面发灰、色泽差等表面质量问题，严重地影响了铝型材的产品质量及使用性能。这些缺陷的影响因素也有多种，除了氧化工艺造成的缺陷，有些是受铸锭的合金成分、杂质的种类、含量等其他方面影响造成的[3-5]。本文通过分析6×××系合金氧化后膜层颜色及性能，研究了不同Fe、Mn、Cr元素含量对氧化膜的影响。
1.1 实验材料
选取Fe、Mn、Cr含量不同的6×××系铝合金（其他合金元素含量大致相同）作为试验材料。
1.2 实验流程
（1）工艺流程。本实验采用的氧化工艺流程为：脱脂→水洗→碱蚀→水洗→中和→水洗→氧化→水洗→封孔→水洗2次→烘干（封孔后增加一道水洗是为了充分洗净封孔液，避免产生封孔浮灰，影响对氧化后膜颜色的观察）。
（2）工艺参数。本实验中采用的工艺流程的具体参数如表1所示。
表1 实验工艺参数
1.3 性能检测
试样经封孔后，在室内放置至少48 h后进行性能检测。
（1）耐磨试验。采用taber耐磨测试仪对膜层耐磨性能进行测试。测试条件为：砝码250 g，磨耗轮型号H-18，转速60 r/min，磨耗指数Δm按照以下公式计算：
其中，m1为试验前试样质量；
m2为试验后试样质量。
（2）滴碱试验。在（35±1）℃下，将约10 mg、浓度为100 g/L的氢氧化钠溶液滴在试样表面，观察并记录滴碱开始到出现腐蚀气泡的时间。
2.1 Fe含量对氧化膜颜色及性能的影响
试样选取2个其他元素含量差异不大、但Fe元素含量有明显差异的挤压板材，其具体成分见表2。对2个试样进行普通阳极氧化处理。
表2 不同Fe含量试样的成分（质量分数/%）
2.1.1 Fe含量对氧化膜颜色的影响
如图1所示，当Fe含量约为0.15%时（试样1），试样氧化后，表面的阳极氧化膜为无色透明状；
当Fe含量为0.29%时（试样2），氧化后试样表面呈透明的青灰色。这是由于Fe在6×××系合金中以AlFeSi相（主要为α-Fe2SiAl8和β-FeSiAl6两种形态）的形式存在，与铝和酸的反应相比，这两种形态的AlFeSi相与酸的反应速率较快[6]。这两个中间相或多或少地存在于氧化膜中，影响着膜的颜色，因此试样呈青灰色。
图1 不同Fe含量试样经氧化后颜色对比图
2.1.2 Fe含量对氧化膜耐蚀性及耐磨性的影响
不同Fe元素含量的试样经氧化后，其膜层耐蚀、耐磨性能的测试结果如表3所示。由表可知，随着试样中Fe元素含量的升高，膜层厚度不断增加，表明合金中的Fe元素会增加成膜速率，但氧化膜的耐蚀性和耐磨性均呈现下降趋势。这是由于Fe元素在铝合金中以杂质相的形式存在，当氧化反应发生时，会有部分杂质相进入膜层，使膜层不均匀，孔隙度增大，从而降低其耐蚀性与耐磨性[7]。
表3 不同Fe含量试样氧化后的耐蚀、耐磨性能
2.2 Mn含量对氧化膜颜色及性能的影响
Mn属于重金属元素，合金中含少量的Mn能使铝合金中的针状或片状含Fe化合物变得少一些并降低其脆性。Mn元素的添加还可以提高铝合金的强度，但也易和Fe、Al形成A16（MnFe）相，降低氧化膜的透明性[8-9]。试样选取3个其他元素含量差异不大、但Mn元素含量有明显差异的挤压板材，其具体成分见表4。对3个试样进行普通阳极氧化处理。
表4 不同Mn含量试样的成分（质量分数/%）
2.2.1 Mn含量对氧化膜颜色的影响
如图2所示，当Mn含量为0.012%时（试样3），氧化后，试样氧化膜的表面为无色透明状；
当Mn含量为0.21%时（试样4），氧化后试样表面呈微黄色，但保持着氧化膜原有的透明状；
当Mn含量为0.45%时（试样5），氧化后试样表面呈现的黄色较深，不透明。一方面可能是因Mn元素影响了铝基体的导电作用，造成局部电解液温度升高，使氧化膜在导电不良的情况下呈黄色；
另一方面，在氧化过程中，析出的Mn的第二相经氧化作用生成Mn的氧化物，使膜层变黄[10]。2.2.2 Mn元素含量对氧化膜耐蚀性、耐磨性的影响
图2 不同Mn含量试样经氧化后颜色对比图
不同Mn元素含量的试样经氧化后，膜层耐蚀、耐磨性能测试结果如表5所示。由表可知，随着试样中Mn元素含量的增加，氧化膜的耐蚀性和耐磨性无明显差异，表明合金中Mn元素对膜层耐蚀性和耐磨性的影响较小。随着Mn元素含量的增加，对成膜起到一定的促进作用，但Mn元素含量过高，会阻碍膜层的均匀生长，造成膜厚减少。
表5 不同Mn含量试样氧化后的耐蚀、耐磨性能
2.3 Cr含量对氧化膜颜色及性能的影响
试样选取Fe、Mn元素含量差异不大、但Cr元素含量有明显差异的挤压板材，其具体成分见表6。对这2个试样进行普通阳极氧化处理。
表6 不同Cr含量试样的成分（质量分数/%）
2.3.1 Cr含量对氧化膜颜色的影响
如图3所示，当Cr含量为0.10%时（试样6），试样氧化后，阳极氧化膜的表面呈无色透明状；
当Cr含量为0.27%时（试样7），氧化后试样表面为淡黄色。这说明随着基体中Cr元素含量增加，膜层外观颜色由无色的透明状逐渐变为淡黄色。
图3 不同Cr含量试样氧化后颜色对比图
2.3.2 Cr含量对氧化膜耐蚀、耐磨性的影响
不同Cr元素含量试样耐蚀、耐磨测试结果如表7所示。由表可知，随着Cr含量的升高，试样氧化膜的耐蚀性和耐磨性降低。
表7 不同Cr含量试样氧化后的耐蚀、耐磨性能
2.4 Fe、Mn、Cr含量对氧化后耐蚀、耐磨性影响的差异性
表8为Fe、Mn、Cr含量对氧化后耐蚀、耐磨性影响的差异性对比表。由表可知，随Fe、Cr元素含量升高，比耐蚀性能差和磨耗指数差的变化几乎相同，这说明Mn元素含量对比耐蚀性能差和磨耗指数差没有影响，而Fe、Cr元素含量对耐磨性及耐蚀性影响较大。
表8 对耐蚀、耐磨性影响的差异性
（1）6×××系合金中，随着Fe元素含量升高，Fe的AlFeSi相存在于氧化膜中，使氧化膜颜色呈青灰色，且Fe含量越高，呈现出颜色越明显；
同时成膜速率增加，使氧化膜变厚，6×××系合金的耐磨性和耐蚀性降低。
（2）6×××系合金中，Mn元素含量的升高会影响铝基体的导电作用，造成局部电解液温度升高，使氧化膜呈黄色，但对耐磨性和耐蚀性影响不大；
随Mn含量的增高及碱蚀时间的增加，析出的Mn的第二相经氧化作用生成Mn的氧化物，使氧化膜颜色由偏黄色向棕黄色发展。
（3）6×××系合金中，随着Cr元素含量升高，氧化膜颜色呈黄色，且氧化膜的耐蚀性和耐磨性随着Cr元素含量的升高而降低。
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