制備優(yōu)質(zhì)坯料降低雙零鋁箔針孔度

王 繼

(中色科技股份有限公司，河南洛陽471039)

在滿足防潮性、阻氣性和遮光性要求的前提下，包裝鋁箔的厚度越小成本越低，因此，90%以上的包裝用鋁箔采用了雙零鋁箔［1］。針孔是雙零鋁箔缺陷中影響最嚴重的缺陷，0.0065mm的雙零鋁箔多時每平米會有1000～2000個針孔［2］，通常將每平方米鋁箔的針孔數(shù)稱為針孔度。針孔度與雙零鋁箔的防潮性、阻氣性和遮光性有直接關(guān)系，生產(chǎn)高質(zhì)量雙零鋁箔必須控制其針孔度。

雙零鋁箔針孔的成因很多，通過對針孔形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，一些針孔的形成與坯料質(zhì)量有直接關(guān)系。且無論是熱軋坯料還是鑄軋坯料，其質(zhì)量水平均會對產(chǎn)品的針孔數(shù)量有重要影響。由于坯料質(zhì)量而出現(xiàn)的針孔在箔軋階段是無法控制的，只有嚴格控制坯料生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，才能有效降低雙零鋁箔的針孔度。

1 原輔材料

原輔材料不夠潔凈，熔煉過程中就會造成熔體內(nèi)含渣、含氫氣量增加，使得坯料含有大量氣泡、砂眼等內(nèi)部缺陷，導致在軋制雙零鋁箔時出現(xiàn)針孔。

1.1 原料儲存環(huán)境

生產(chǎn)坯料用的鋁錠受潮或被雨淋后表面會形成氧化膜Al2O3和Al(OH)3，水份會吸附在氧化膜上。當氧化膜熔入鋁熔體，吸附其中的水分便會與鋁熔體發(fā)生反應(yīng):2Al+3H2O=Al2O3+6［H］。生成的氫容易被鋁熔體吸收，導致鋁熔體中的含氣量增加。所以用于生產(chǎn)坯料的鋁錠應(yīng)存放在干燥區(qū)域，必要時可在熔化前進行烘干以排除其吸附的水分。

1.2 廢料原料

采用冷軋或箔軋廢料制作鋁錠時，應(yīng)注意這類廢料中殘留的軋制油，如果將廢料直接加入熔鋁爐，殘留的軋制油在分解后會污染鋁熔體，且會增加熔體中的含氫量。同時，由于廢料較薄、表面積較大，熔煉過程中會造成大量燒損，導致熔體內(nèi)含渣量增多。如果后續(xù)工藝不能有效除掉渣體，最終雙零鋁箔成品的針孔數(shù)量就會成倍增加。因此在熔化有油污的廢料之前，應(yīng)將其預熱除去油污和水分，同時將易燒損的薄片廢料放置于爐底以減少燒損造渣量。

1.3 各種輔料

各種精煉劑、添加劑和熔劑等輔料的使用要非常嚴格。精煉劑中含有大量的鉀、鈉等鹽類，如吸潮結(jié)塊，熔煉時會將水分帶入熔體，造成熔體含氫量過高，因此精煉劑要儲存在干燥區(qū)域，必要時在使用前進行烘干。由于中間合金熔點低且易在鋁熔體中快速熔解，通常用作添加劑，但不易使用由廢雜鋁或低品位鋁錠生產(chǎn)的中間合金，以減少進入熔體的雜質(zhì)量。熔劑由堿金屬或堿土金屬鹵素鹽類的混合物組成，要保證正確的成分組成比例，防止鋁熔體的二次污染［3］，同時在使用前也要進行干燥，防止因帶入水分而污染鋁熔體。

2 熔鑄質(zhì)量

鋁熔體中大量的氣體和雜質(zhì)，是雙零鋁箔產(chǎn)生針孔的重要原因。有效的鋁液凈化、過濾、晶粒細化等措施，是控制雙零鋁箔針孔數(shù)量的必要手段。

2.1 殘存的氫

鋁及鋁合金在高溫下與水汽發(fā)生反應(yīng):2Al+3H2O=Al2O3+6［H］。其中氫以原子或離子狀態(tài)游離于熔體中，熔體結(jié)晶過程中大部分氫會以氣態(tài)的形式排出。由于氫的逸出與溫度、外界壓力和氣泡成核條件有關(guān)，隨溫度降低所生成的氣泡尺寸變小來不及逸出，因此會有部分殘存于坯料中。

殘存的氫會在組織疏松的地方形成氣泡，這些氣泡在軋制過程中逐漸被壓扁拉平或拉長，沿軋制方向形成連續(xù)或斷續(xù)的氣道。這些氣道在厚箔軋制階段不易被發(fā)現(xiàn)，但在薄箔特別是雙零箔軋制時就會在表面出現(xiàn)成串的針孔，這些針孔沿氣道分布且大小不一。這是雙零箔產(chǎn)生針孔的主要原因之一，且含氫量越多針孔度越高。實際生產(chǎn)中鋁熔體精煉后的氫含量應(yīng)控制在不超過 0.12ml/100gAl［4］。

2.2 精煉除氫

為滿足含氫量要求，需采取有效的精煉除氫措施，將不熔于熔體的高純度精煉氣體加入到熔體中，常用的精煉氣體有N2－Cl2或Ar－Cl2。選用N2－Cl2精煉氣體，鋁熔體中發(fā)生如下化學反應(yīng):3Cl2+2Al=2AlCl3;Cl2+2［H］=2HCl。2AlCl3、2HCl、N2等均為氣態(tài)，在熔體中形成氣泡。溶解于鋁熔體中沒有與Cl反應(yīng)的氫會向氣泡中擴散，氣泡上升脫離鋁熔體后，氫隨之排出。

如果精煉氣體中含有的水汽及氧氣過多就會發(fā)生反應(yīng):2Al+3H2O=Al2O3+6［H］;4Al+3O2=2Al2O3。熔體中氫的含量增加了，同時由于氫在氧化鋁中的擴散系數(shù)是鋁熔體中的1/10，氧化鋁的生成在一定程度上阻礙了氫向氣泡中擴散，這樣就無法有效地降低熔體中的氫含量。生產(chǎn)高質(zhì)量的雙零鋁箔，精煉氣體的純度應(yīng)達到99.999%以上［5］。

2.3 除雜

在熔煉轉(zhuǎn)注或鑄造過程中不可避免地會形成夾雜物，這些夾雜物有脆硬的氧化物和碳化物，也有較疏松的氯化物、氟化物和耐火材料碎屑等。大于5μm的夾雜物使得箔軋時產(chǎn)生條狀缺陷，細小夾雜則會使鋁箔在雙合軋制時形成密集的針孔。如果要生產(chǎn)6～7μm厚的雙零鋁箔，則夾雜物的尺寸應(yīng)控制在5μm以下。合理設(shè)計過濾器，選擇具有優(yōu)良高溫強度和孔隙率的過濾材料，適當增加過濾板的厚度，減緩過濾速度，能有效提高過濾效果。采用孔隙度在20～50ppi范圍的泡沫陶瓷過濾板過濾鋁熔體除去夾雜物，過濾后夾雜物的含量可降至0.0009% ～0.0036%(重量百分比)，過濾效率可達到50%［5］。

2.4 晶粒細化

2.4.1 細化劑的選擇

坯料在熔煉鑄造過程中若晶粒過大、出現(xiàn)粗大的麥穗晶時會產(chǎn)生氣孔，致使箔軋時針孔數(shù)量增多。可添加適量晶粒細化劑，使晶粒組織細小均勻。Ti能細化鑄造組織，如果同時添加一定量的B，細化晶粒效果會更佳，生產(chǎn)中常選用Al－Ti和Al－Ti－B中間合金作為晶粒細化劑。其細化機理是TiAl3、TiB2能在鋁熔體中起到外來晶核作用，通過增加晶核數(shù)量細化晶粒。相較而言，Al－Ti－B中間合金的細化效果更好、時效更長。

2.4.2 細化劑的使用

如將晶粒細化劑直接加入到熔爐內(nèi)，會造成大量燒損，而且不均勻，細化效果差。為得到最佳晶粒度，得到組織均勻、晶粒細小的坯料，要將優(yōu)質(zhì)的Al－Ti－B線桿依照鑄造速度連續(xù)加入到流槽中，這樣既節(jié)約了細化劑又能讓細化效果最佳化。TiB2易與氧化物聚合，中間合金線桿要插入經(jīng)過濾的潔凈液流內(nèi)，并且插入部位與結(jié)晶器之間要留有合適的長度。但晶粒過度細化會增加軋制過程中的硬化程度，另外Ti、B含量過高會生成粗大的金屬間化合物，增加雙零鋁箔的針孔度。因此，要嚴格控制晶粒細化劑的加入量。

3 內(nèi)部組織

3.1 Fe、Si含量及 ω(Fe)/ω(Si)比值

雙零鋁箔主要采用1×××合金，其主要合金元素是Fe和Si，它們固溶于Al中或以化合物的形式析出。固溶的Fe和Si越多，加工硬化率越大。Si能顯著降低Fe在Al基體中的擴散激活能，有利于含F(xiàn)e化合物的析出。Fe可促進Si析出“凈化”Al基體，有利于提高軋制性能［6］。因此坯料的力學性能不僅受Fe、Si含量的影響，還受ω(Fe)/ω(Si)的影響。

Si在Al基體中的固溶度很大并且其固溶量對鋁箔軋制的硬化影響最大，增大軋制過程中的變形抗力，在鋁箔軋制到較薄時增加針孔數(shù)。同時Si含量偏高時易產(chǎn)生Si的晶界偏析，不易使Si充分析出。Fe在Al基體中的固溶度很小，但ω(Fe)＜0.5% ～0.1%時，“凈化”Al基體的作用不能充分發(fā)揮，而ω(Fe)＞1.3% ～2.5%時將使Al－Fe系化合物變得粗大、材料抗蝕性能下降。ω(Fe)/ω(Si)＜2時，坯料呈脆性不易軋制變形，當在ω(Fe)/ω(Si)的比值大于5時，粗大針片狀的FeAl3相會大量增加［7］，導致針孔數(shù)隨之增多。一般要求坯料中ω(Si)＜0.2%，F(xiàn)e含量要大于Si含量，同時ω(Fe)/ω(Si)比值控制在2.0～4.0之間。

3.2 合金相及尺寸

雙零鋁箔的針孔與坯料內(nèi)部相的組成和尺寸有密切關(guān)系，理想坯料中的化合物應(yīng)以α(FeSiAl)和β(FeSiAl)相為主，F(xiàn)eAl3相的含量越少越好。α(FeSiAl)相是比較理想的鑄態(tài)化合物，這種相以骨骼狀和圓顆粒狀為主，易在變形中破碎且較容易在均勻化過程中溶解到基體中。β(FeSiAl)相為針條狀化合相，尺寸通常較小對針孔形成影響不大。FeAl3為粗大針片狀化合相，在鋁箔軋制過程中容易形成裂紋源擴展形成針孔，它是雙零鋁箔針孔數(shù)較多的一個主要原因，要嚴格控制它在化合物中的比例。

另外，鋁箔坯料中粗大的第二相在軋制過程中容易形成裂紋源擴展形成針孔。雙零鋁箔的厚度只有6～7μm，因此任何大于5μm的粗大第二相均可導致針孔的產(chǎn)生。但坯料中晶粒小于1μm會使加工硬化率提高，塑性變形性能降低。因此，坯料中化合相的尺寸控制在 1 ～5μm 之間［8］。

4 表面質(zhì)量

存留于坯料表面的擦劃傷、起皮、腐蝕斑痕、壓入等各種缺陷，在軋制過程中會以拉長的形式繼續(xù)留在表面。當壓下量達到一定程度時，這些缺陷就會隨厚度的減薄并依其缺陷的嚴重程度而形成數(shù)量和大小不等的針孔，甚至孔洞。在生產(chǎn)鑄軋坯料的過程中，如果軋輥表面粗糙度較大、龜裂嚴重或有粘鋁時，就會在鑄軋坯料的表面產(chǎn)生突起物或麻坑等缺陷，這些缺陷在后續(xù)鋁箔軋制時就會形成針孔［3］。因此，用于軋制雙零鋁箔的坯料，必須具有優(yōu)良的表面質(zhì)量。

5 結(jié)語

隨著對雙零鋁箔軋制工藝方法的逐步掌握，坯料質(zhì)量對雙零鋁箔針孔的影響會越來越突出，只有嚴格控制坯料生產(chǎn)中的每個生產(chǎn)細節(jié)，考慮到各種影響因素，才能從根本上降低雙零鋁箔產(chǎn)品的針孔度，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

［1］杜娟，肖陽，趙衛(wèi)濤，等.國內(nèi)雙零鋁箔常見質(zhì)量問題及分析.輕合金加工技術(shù)，2010，38(6):23 －27.

［2］蔡海濤，任靜.減少雙零鋁箔針孔缺陷的探討.輕合金加工技術(shù)，2013，31(1):18 －24.

［3］李懷武，任書卿.提高鑄軋坯料質(zhì)量降低雙零鋁箔針孔率.輕合金加工技術(shù)，2012，40(2):27 －30.

［4］黃金法，張學平.鋁箔毛料質(zhì)量的重要性和技術(shù)標準要求.輕合金加工技術(shù)，31(9):17 －18.

［5］劉國金.坯料對鋁箔質(zhì)量的影響.有色金屬加工，2002，31(3):33－36.

［6］李鳳珍，劉兆晶，金栓，等.鋁及鋁鐵合金的加工軟化機理［J］.中國有色金屬學報，1997，7(1):98.

［7］牛猛，趙光輝.鋁箔毛料質(zhì)量對鋁箔軋制生產(chǎn)的影響.輕合金加工技術(shù)，2003，31(12):20 －22.

［8］張靜，湯愛濤，潘復生.韓國鋁箔毛料和國產(chǎn)鋁箔毛料的比較研究.輕合金加工技術(shù)，1999，27(11):17－21.