东北轻合金有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150060
摘要：7075合金锻件阳极氧化后表面出现色斑，颜色发黑的现象，影响产品的外观美观。采用金相、成分分析等手段对存在色斑区域内的组织，成分进行综合分析。通过分析得出产生色斑的主要原因是，由于组织中出现主要强化相大量析出，阳极氧化过程中，晶粒内部大量存在的可溶性弥散析出相造成了氧化膜中的大量细小孔洞缺陷，这些微观空洞缺陷改变了氧化膜的结构，从宏观反映出氧化膜颜色发黑。同时区域偏析也对锻件热处理固溶不均匀起促进作用。随着锻件横截面积的增大，造成在固溶热处理过程中锻件中心的冷却速度低于边部冷却速度，使得已经固溶的部分相产生了脱溶现象，进而体现出局部析出质点偏多的情况。
关键词：7075铝合金；阳极氧化；色斑；偏聚
0 前言
7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，具有高强度、低密度和热加工性能好等优点，但较差的耐腐蚀性制约了其应用 。硬质阳极氧化是一种特殊的阳极氧化方法，也称厚膜阳极氧化。铝及其合金经硬质阳极氧化处理后，表面可生成厚度达几十到几百微米的氧化膜，该膜层具有较高的硬度、耐磨性及耐蚀性、良好的耐热性和绝缘性、较强的结合力，可显著提高铝基材的使用性能，使其在国防、机械制造、航空航天等领域得到广泛的应用。但某单位在生产7075合金锻件氧化着色后出现表面颜色不均一的色斑区域，影响工件的外观美观，本文通过色差区域内的工件组织分析、成分、对零件正常部位与色差部位的合金基体组织对比分析，并以此为依据，对造成氧化色差的原因进行探讨。
查阅相关文献，发现7075铝合金硬质氧化工艺研究相对较少。因此，本文通过对硬质阳极氧化电解液浓度、电流密度、溶液温度、氧化时间等因素进行调整，研究不同工艺参数对7075铝合金硬质氧化膜层性能的影响，优化7075铝合金硬质氧化工艺。某公司生产的7075合金锻件坯料，经过机械加工后，进行硫酸阳极氧化处理，
1 问题件的解剖和观察
1.1 色斑工件局部宏观观察
1#和2#试样的外观形貌见图1（a、b、c）和图2（a、b、c）所示。
C 侧表面
图1 1#试样的外观形貌
从图1（a、b、c）和图4（a、b、c）可以看出，试样上的“色斑”区域位于工件的芯部，在试样表面呈现不定形的片状，且同一试样的上下表面的“色斑”形状近似相同，表明“色斑”贯穿于整个试样的厚度方向，这一点从试样的侧表面也可以显现出来，同时在“色斑”区域内“色斑”的颜色也深浅不一。
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a 上表面 b 下表面
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C 侧表面
图2 2#试样的外观形貌
1.2 试验分析项目及结果
1.2.1 化学成分分析
将2#试样按照图3标注的位置一分为二，将其中的一半做化学成分分析，“色斑”区域与正常区域的化学成分见表1，其化学取样的位置见图3/4所示。
从表1中可以看出，“色斑”区域内Zn、Mg、Cu等元素的化学成分略高于正常区域，但是均符合GB/T3190《变形铝及铝合金化学成分》中的规定。根据铸造过程中的结晶规律，在铸锭同一横截面上各部位金属的冷却条件和结晶顺序是不相同的，导致铸锭各部位的化学成分不可能完全相同，这一点在大规格铸锭坯料中体现得尤为明显。
1.2.2 低倍组织分析
将按照图3所示锯开的2#试样另一半放入NaOH水溶液中浸蚀去除表面的阳极氧化膜，浸蚀后的组织见图5（a、b）所示。
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a 上表面 b 下表面
图5 除去阳极氧化膜后的试样形貌
从图5（a、b）中可以看出，除去阳极氧化膜后试样上下表面的“色斑”形态未发生明显的变化，只是“色斑”区域的颜色比正常区域的颜色略暗，但是它们之间颜色差距与阳极氧化之前相比明显缩小，同时“色斑”区域的局部晶粒尺寸略大于正常区域的晶粒尺寸，这种晶粒大小之间的差异是由于固溶处理过程中工件内外冷却强度的差异和试样局部偏析的存在，而引起在最终热处理过程中晶粒的再结晶程度不同造成的。试样经低倍组织检查未见裂纹、气孔、非金属夹杂、偏析聚集和氧化膜等缺陷。
1.2.3 显微组织分析
1#试样显微组织的取样位置见图6所示，“色斑”区域与正常区域及其交界处的显微组织分别见图7（a、b）、图8所示。
图8“色斑”区域与正常区域交界处的显微组织（已浸蚀）×100
从图中可以看出，同一个试样上“色斑”区域与正常区域相比较，化合物的尺寸和数量未见明显差异，但是“色斑”区域的析出质点（见图7a）明显多于正常区域的析出质点（见图7b），这种组织上的差异在图8所示的两个区域交界处显微组织中体现得更为明显。通常情况下析出质点的疏密与固溶处理过程中的冷却强度密切相关，冷却强度低的部位析出质点偏多，同时化学成分的差异也会对析出质点的多少产生影响。在“色斑”区域及与正常区域均未发现复熔共晶球、复熔晶界和复熔三角形过烧特征，表明试样未过烧。
2 原因及其机理分析
2.1 差生析出质点的分析讨论
2.1.2 工件坯料铸造阶段产生成分偏析的分析
7075合金锻件阳极氧化后局部存在“色斑”问题主要是该区域基体组织析出质点相数量明显多于正常区域，导致锻件表面阳极氧化后表现出色差。“色斑”区域的析出质点相数量明显多于正常区域是因为：色斑区域合金主元素含量高于正常区域合金主元素含量；零件尺寸厚度大，淬透性相对较差，锻件中心的冷却速度低于边部的冷却速度，从而导致锻件中心的析出质点相偏多。
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图9 沿铸锭断面的结晶区域与结晶时温度范围的关系示意图[1]
图9是根据7xxx合金铸锭断面温度场的实际结晶温度确定的某一瞬间的铸锭断面凝固区域结构示意图。左侧是相图示意图，右侧是连续铸造结晶器中正在凝固的铸锭横截面示意图。在半连续铸造条件下，铸锭的凝固过程总是从铸锭表面向中心，底部向上部逐渐扩展的。铸锭断面上一般存在着三个区域，即固相区、液相区和两相区（固液区、液固区）[2]。结晶前沿从结晶器向铸锭芯部移动，而富有易容组元（如Cu、Mg、Zn、Si）的熔体向铸锭表面方向移动，以填补结晶收缩，因而7xxx铝合金的区域偏析主要表现为Cu、Mg、Zn、Si元素的逆偏析。但Mn元素区域偏析的倾向极小。
图10 a/b/c/d/e为7075 Ф482铸锭径向元素实测分布情况
铸锭在不同区域内结晶行为不同造成截面上必然存在化学成分偏析的情况。成分决定组织，成品存在宏观偏析，铸锭组织也必然存在差异。但当主成分偏析到何种程度会影响最终制品在氧化着色过程中出现色差，还有待进一步评价和验证。
2.1.3 工件在热处理阶段产生析出质点不均的分析讨论
淬火前的加热是为了使合金中的强化相溶入基体，淬火后，获得过饱和α固溶体，为随后的时效处理做好组织上的准备。7075合金是7xxx合金中淬火敏感性比较高的合金[5]，张永安、李志辉、熊柏青等人发表的可热处理强化型高强度铝合金的淬透性研究一文中中采用末端淬火试验方法对7B04、7050、7085合金进行对比显示，7075合金淬透性最差，距离淬火远端越远，合金晶内越多大量的ɳ相脱溶析出。当距淬火端距离增至100mm以上时，合金的晶界上ɳ相明显粗化，尺寸达到400nm左右[6]。
根据工件组织成分分析，在锻件心部氧化后局部存在“色斑”现象，氧化膜颜色发黑主要是由于组织中出现主要强化相大量析出，阳极氧化过程中，晶粒内部大量存在的可溶性弥散析出相造成了氧化膜中的大量细小孔洞缺陷，这些微观空洞缺陷改变了氧化膜的结构，从宏观反映出氧化膜颜色发黑[7、8]。同时区域偏析也对锻件热处理固溶不均匀起促进作用。锻件横截面积大，造成在固溶热处理过程中锻件中心的冷却速度低于边部冷却速度，使得已经固溶的部分相产生了脱溶现象，进而体现出局部析出质点偏多的情况。
锻件尺寸较大，缺陷锻件淬火最大厚度为250mm，远大于GJB2351中类似合金淬火厚度80mm的要求，也大于YS/T479中7075的最大厚度150mm的范围。
3 结论及改进措施
3.1 分析结论
（1）铸锭内部不同部位的元素偏析是客观存在的，在常规DC铸造条件下，是无法避免的，可通过采取措施降低元素偏析程度；
（2）锻件尺寸厚度大，远超过相关产品规范规定的淬火最大厚度，淬透性相对较差，锻件中心的冷却速度低于边部的冷却速度，从而导致锻件中心的析出质点相偏多；
（3）锻件的氧化色斑现象是材料化学成分偏析和锻件淬透性差共同作用引发的现象；
3.2改进措施
（1）锻件坯料在熔铸工序可以引进电磁在线搅拌技术，消除在熔铸工序产生的熔融态铝液的成分不均匀现象。
（2）结合锻件的设计和使用。优化锻件的设计结构，比如适当在机加区域开槽、孔。减少锻件坯料的最大截面厚度，增加锻件的淬透性。
参考文献
[1]王猛、卢志森、刘启文等 轻合金材料加工手册[M].北京: 冶金工业出版社 1980
[2]王立娟、张万金、吴欣凤等 变形铝合金熔炼与铸造[M].长沙: 中南大学出版社 2010
[3]王祝堂, 田荣璋. 铝合金及其加工手册[M]. 长沙: 中南大学出版社, 1999
[4]盛少辉 Al-Zn-Mg-Cu 合金的淬透性研究 北京航空航空大学 硕士论文
[5]张永安、李志辉、熊柏青等 可热处理强化型高强度铝合金的淬透性研究[J] 第一十四届中国有色金属学会材料科学与工程合金加工学术研讨会文集
[6]黄硕 LC4CS棒材阳极氧化膜表面局部发黑分析[J] 有色设备 2012（1）
[7]张振宇LC9CS板材阳极化处理表面局部发黑分析[J] 航天工艺 2001（6）
[8]刘诗超，单俊杰:铝合金锻件阳极氧化膜发黑缺陷控制技术研究[J] 直升机技术 2013（2）
[9]丁振斌, 朱梅五, 孔小东 铝合金阳极微观组织对其性能的影响[J] 材料保护 2002（7）