均勻化退火對純鋁系負(fù)極箔坯料顯微組織的影響

趙紅亮，吳　迪，翁康榮，胡冠奇

(1.鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.登電集團(tuán)鋁加工有限公司，河南 登封 452477)

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均勻化退火對純鋁系負(fù)極箔坯料顯微組織的影響

趙紅亮1，吳迪1，翁康榮1，胡冠奇2

(1.鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.登電集團(tuán)鋁加工有限公司，河南 登封 452477)

摘要：鑄軋純鋁系負(fù)極箔坯料存在粗大且分布不均勻的第二相，均勻化退火對坯料中第二相尺寸和分布有重要影響.通過均勻化退火實(shí)驗(yàn)研究了退火溫度和保溫時(shí)間對純鋁系負(fù)極箔冷軋坯料中第二相尺寸和分布的影響.結(jié)果表明：在保溫時(shí)間為10 h時(shí)，隨著退火溫度升高，彎曲帶狀FeAl共晶相逐漸溶解球化，條狀β(FeAlSi)相分解為短棒狀，當(dāng)溫度升高至550 ℃時(shí)，針狀相FeAl3開始析出；在退火溫度為520 ℃時(shí)，隨退火時(shí)間的延長，粗大第二相的比例不斷減小，而后趨于穩(wěn)定；冷軋變形率為38.5%的鑄軋純鋁系負(fù)極箔冷軋坯料經(jīng)520 ℃保溫10 h退火后可獲得較均勻的組織.

關(guān)鍵詞：鑄軋；負(fù)極箔；均勻化退火；顯微組織；FeAl3相

0引言

鋁電解電容器具有價(jià)格低、比容高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域.鋁電解電容器用電子箔，要求鋁箔腐蝕后具有較大的比表面積，以利于儲存電能[1-2].純鋁系合金箔因具有成本低，電學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)作為電容器負(fù)極箔材料已得到市場的認(rèn)可[3-4]，但純鋁系合金中含F(xiàn)e、Si等雜質(zhì)元素，存在粗大第二相化合物和晶粒大小不均勻等問題，粗大第二相粒子或晶界附近位錯(cuò)密度增大，易引起箔的不均勻腐蝕[5-7].生產(chǎn)中采用電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)純鋁系負(fù)極箔坯料具有短流程、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，但鑄軋冷速大，晶粒沿縱向大小不一，在鑄軋板中心層易形成形貌不規(guī)則的第二相，且成分分布不均勻，從而直接影響負(fù)極箔的腐蝕.

熱處理可有效控制鋁箔坯料中第二相尺寸、形貌及分布[8]，改善組織的均勻性，不僅有利于進(jìn)一步加工，而且能保證成品箔均勻腐蝕.筆者以純鋁系負(fù)極箔冷軋坯料作為研究對象，研究了均勻化退火溫度和保溫時(shí)間對坯料中第二相尺寸、形貌和分布的影響規(guī)律，盡可能減小第二相的尺寸，使組織均勻，提高負(fù)極箔的腐蝕性能.

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

厚度6.5 mm的純鋁系鑄軋板冷軋為4.0 mm厚度板材，變形率38.5%，對冷軋板進(jìn)行均勻化退火實(shí)驗(yàn)，溫度分別為：460、490、520和550 ℃；保溫時(shí)間分別為6、8、10和12 h.本實(shí)驗(yàn)采用純鋁系合金的化學(xué)成分見表1.對退火前后的試樣經(jīng)人工研磨、機(jī)械拋光后電解拋光，電解拋光液為高氯酸+酒精(體積比1∶9).試樣經(jīng)電解拋光后在DMM-220C型金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織和第二相分布觀察,用Image-Pro Plus軟件分析第二相的尺寸.

表1　合金化學(xué)成分

2結(jié)果與討論

2.1均勻化退火對冷軋板坯顯微組織的影響

圖1為38.5%變形率的純鋁系負(fù)極箔冷軋板縱斷面表層和中心層的顯微組織，從圖中可以看出冷軋板表層第二相化合物呈細(xì)小顆粒狀，而中心層含有較多條狀相和粗大彎曲帶狀相.由于鑄軋時(shí)坯料表層與中心層凝固速度、過冷度的不同造成第二相析出不同，表層過冷度大，凝固速度大，F(xiàn)e、Si等合金元素更多地固溶于基體，析出第二相較細(xì)小；隨著凝固向中心層推進(jìn)，凝固速度降低，合金元素更多地被推到固液界面處，以粗大第二相的形式析出，經(jīng)38.5%冷軋變形率后，第二相沿軋制方向分布，中心區(qū)域的第二相雖發(fā)生破碎，但尺寸仍大于表層區(qū)域，顯微組織呈現(xiàn)不均勻性.

圖1　38.5%變形率冷軋板坯的顯微組織

利用Image-Pro Plus軟件對冷軋板中心層第二相尺寸分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中尺寸在6 μm以上第二相所占比例為52%， 2～6 μm的第二相占38%，如圖2所示，這反映了冷軋板中第二相尺寸大小分布不均勻.

圖2　冷軋板中心層第二相尺寸分布

38.5%變形率的冷軋板經(jīng)460、490、520和550 ℃分別退火6、8、10和12 h，圖3為退火后的顯微組織.均勻化退火溫度在490 ℃時(shí)，保溫12 h后基體中仍存在部分粗大第二相，如圖3(a)所示.對第二相尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，尺寸在6 μm以上的第二相所占比例為44%，2～6 μm的第二相占42%；退火溫度550 ℃保溫6 h時(shí)，基體中已出現(xiàn)尺寸較大的針狀相，如圖3(b)所示，此時(shí)尺寸在6 μm以上的第二相所占比例為26%，2～6 μm的第二相占57%，可見均勻化退火能夠一定程度改變第二相尺寸分布，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，若均勻化退火溫度在490 ℃以下，則均勻化所需時(shí)間較長，生產(chǎn)效率低；當(dāng)退火溫度為550 ℃，退火6 h后針狀相即迅速長大，考慮到實(shí)際批量生產(chǎn)與設(shè)備要求，冷軋鋁帶卷外層與內(nèi)層升溫速率不同，時(shí)間太短難以保證內(nèi)外層同時(shí)達(dá)到均勻化，因此保溫時(shí)間不易太短.為研究均勻化溫度對冷軋板顯微組織的影響，兼顧生產(chǎn)效率和生產(chǎn)可行性選保溫時(shí)間10 h的坯料為研究對象.

2.2退火溫度對純鋁系負(fù)極箔冷軋板坯顯微組織的影響

圖4為變形率38.5%的冷軋板坯在460～550 ℃之間退火10 h后的顯微組織；圖5為對應(yīng)各溫度下第二相尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果.從圖4、5中可以看出，隨著退火溫度升高，中心層彎曲帶狀相逐漸轉(zhuǎn)化為細(xì)小的顆粒相，條狀相分解為短棒狀，第二相尺寸大小分布也不斷變化.據(jù)文獻(xiàn)[9-11]可知，1xxx鋁合金中主要的相有：平衡相α(FeAlSi)、FeAl3、亞穩(wěn)相β(FeAlSi)和共晶相FeAl，其中α(FeAlSi)相呈顆粒狀；FeAl共晶相呈彎曲帶狀；β(FeAlSi)呈條狀或棒狀；而FeAl3相為針狀.

從圖4(a)可以看到，純鋁系負(fù)極箔冷軋板坯在460 ℃均勻化退火時(shí)，冷軋坯料中心層仍有條狀β(FeAlSi)相和彎曲帶狀FeAl共晶相存在，這說明彎曲帶狀FeAl共晶相沒有完全溶解球化，β(FeAlSi)相也分解不完全，此時(shí)根據(jù)第二相尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，尺寸大于6 μm的第二相所占比例最大，為48%.退火溫度在490 ℃時(shí)，基體中顆粒相增多，發(fā)生共晶FeAl相向平衡相α(FeAlSi)轉(zhuǎn)變[12]，尺寸大于6 μm的第二相比例有所降低，為45%，但由于溫度過低，原子擴(kuò)散速率較慢，基體中仍然存在較大體積的共晶相，β(FeAlSi)相尺寸變化不大，如圖4(b)所示.當(dāng)退火溫度在520 ℃時(shí)，共晶相FeAl完全溶解，條狀β(FeAlSi)分解為短棒狀，尺寸在6 μm以上的第二相所占比例僅為15%，2～6 μm的第二相占72%，第二相尺寸分布集中，以顆粒狀和短棒狀為主，如圖4(c).繼續(xù)升溫至550 ℃，顆粒狀相細(xì)化，基體中開始析出針狀相，大于6 μm的第二相所占比例有所增加，說明顆粒狀α(FeAlSi)開始向針狀FeAl3相轉(zhuǎn)化，如圖4(d).針狀相FeAl3在后續(xù)鋁箔加工中容易造成應(yīng)力集中等缺陷，影響負(fù)極箔的腐蝕性能，經(jīng)均勻化退火，粗大的第二相溶解或分解，同時(shí)避免粗大針狀相FeAl3出現(xiàn)，使第二相尺寸分布集中，變形率為38.5%的冷軋板均勻化退火溫度選擇在520 ℃為宜.

圖4　變形率38.5%的冷軋板坯不同溫度

圖5　不同退火溫度下第二相尺寸分布

2.3保溫時(shí)間對純鋁系負(fù)極箔冷軋板坯顯微組織的影響

圖6為38.5%變形率的負(fù)極箔冷軋板坯在520 ℃退火6～12 h后的顯微組織；圖7為對應(yīng)各保溫時(shí)間下第二相尺寸分布統(tǒng)計(jì).從圖6可以看出，保溫時(shí)間為6 h時(shí)，坯料中心層條狀β(FeAlSi)相和彎曲帶狀FeAl共晶相輪廓變清晰，但并沒有明顯分解的跡象.根據(jù)第二相尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果，尺寸大于6 μm的第二相所占比例為46%，2～6 μm的第二相占39%，第二相大小不一，組織均勻性較差，如圖6(a).這主要是由于時(shí)間太短，元素得不到充分?jǐn)U散.當(dāng)保溫時(shí)間為8 h時(shí)，彎曲帶狀FeAl3共晶相開始溶解球化，條狀β(FeAlSi) 相已完全分解為短棒狀β(FeAlSi)，如圖6(b).尺寸大于6 μm的第二相所占比例有所下降，為35%.保溫時(shí)間為10 h時(shí)，彎曲帶狀FeAl3相完全溶解，顆粒相增多，同時(shí)基體中出現(xiàn)少量短棒狀相，此時(shí)尺寸在2～6 μm的第二相所占比例最大，為72%，第二相均勻分布，如圖6(c).繼續(xù)延長退火時(shí)間至12 h，基體中第二相以顆粒狀相和短棒狀相為主，第二相的尺寸分布無明顯變化.粗大第二相消失，細(xì)小的短棒狀相和顆粒相尺寸分布集中，有利于負(fù)極箔的均勻腐蝕，變形率為38.5%冷軋板在520 ℃均勻化退火時(shí)選擇10 h為宜.

圖6　變形率38.5%的負(fù)極箔冷軋板坯520 ℃退火

3結(jié)論

(1)鑄軋純鋁系負(fù)極箔冷軋坯料均勻化退火時(shí)，保溫10 h的情況下，隨著退火溫度升高，粗大的彎曲帶狀FeAl3相逐漸溶解球化，顆粒狀相增多，條狀相β(FeAlSi)分解為短棒狀；當(dāng)退火溫度升高至550 ℃時(shí)，基體中析出針狀FeAl3相，易在后續(xù)的冷軋過程中引起應(yīng)力集中等缺陷，影響負(fù)極箔的腐蝕性能.

圖7　不同保溫時(shí)間下第二相尺寸分布

(2)冷軋坯料在520 ℃退火時(shí)，隨著保溫時(shí)間延長，粗大第二相的比例不斷減少;當(dāng)保溫時(shí)間超過10 h后，基體中第二相的尺寸分布無明顯變化.

(3)冷軋變形率為38.5%的鑄軋純鋁系負(fù)極箔冷軋坯料最佳均勻化退火工藝為520 ℃保溫10 h.

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Influence of Homogenization Annealing on Microstructure of Pure Aluminum Cathode Foil Stock

ZHAO Hongliang1, WU Di1, WENG Kangrong1, HU Guanqi2

(1.College of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China；2.Dengdian Group Aluminum Processing Co. Ltd., Dengfeng 452477, China)

Abstract:Coarse and non-uniform secondary phase are located in the cast-rolling cathode foil stock of pure aluminum. The size and distribution of the secondary phase are significantly influenced by homogenization annealing. Effects of temperature and holding time on the secondary phase size and distribution of the cathode foil stock were investigated with the method of homogenization annealing experiments. The result shows: When holding time is 10 h, with the increase of annealing temperature, the strip Fe-Al eutectic phase are gradually dissolved and spheroidal, while the stripy β(FeAlSi) phase are converted into small rod-shaped compounds. Till it’s up to 550 ℃, the needle-like FeAl3 phase grow in the matrix; When the temperature is 520 ℃, with the increase of holding time, the proportion of the coarse secondary phase is decreased and reached a steady level at last. Finally, at 520 ℃/10 h, the microstructure of 38.5% deformation cathode foil stock is desirable.

Key words:cast-rolling; cathode foil; homogenization annealing; microstructure; FeAl3 phase

中圖分類號：U463.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201510047

作者簡介:趙紅亮(1972—)，男，河南項(xiàng)城人，鄭州大學(xué)教授，博士，主要從事新型鋁、鎂合金研究，E-mail：zhlwkr@zzu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174177)

收稿日期:2015-10-26；

修訂日期：2015-11-27

文章編號:1671-6833(2016)02-0042-04

引用本文:趙紅亮，吳迪，翁康榮，等.均勻化退火對純鋁系負(fù)極箔坯料顯微組織的影響[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016,37(2)：42-45.