鋁熱軋帶材表面黑點黑條產(chǎn)生機理和應對措施

路紀軒，黃東海，徐 曾，孔 軍，章國華

(1.好富頓(上海)高級工業(yè)介質(zhì)有限公司，奎克好富頓集團成員，上海 201613；2.河南中孚實業(yè)股份有限公司，河南 477100；3.浙江永杰鋁業(yè)有限公司，浙江 杭州 311222)

熱軋帶材表面黑點黑條缺陷在鋁軋制中是最常見、表現(xiàn)形式最多的表面缺陷，其影響因素眾多且復雜，具有徹底根治比較困難、易反復、遺傳性很強、對后工序帶材質(zhì)量影響非常大等特點。針對熱軋黑點黑條的產(chǎn)生機理進行分析，尋求主要解決辦法。

1 鋁熱軋帶材表面黑點黑條的種類及其產(chǎn)生機理

1.1 鋁熱軋帶材表面黑點黑條的本質(zhì)

正常鋁及鋁合金帶材表面為銀灰色，因為表面有一層透明的 Al2O3薄膜覆蓋，所以鋁及鋁合金有比較好的抗大氣腐蝕性。鋁的粘結性很強，加工時極易粘結在工具上，且溫度越高粘結越厲害。軋制鋁及鋁合金帶材時，軋輥表面容易粘結上鋁的顆粒及其氧化物。在熱軋中輥面形成表面粘鋁層，粘鋁層可在軋輥表面重疊形成數(shù)微米厚的鋁薄膜，這種膜是由鋁、氧化鋁及卷入的軋制油組成的。粘鋁膜層過厚或者不均勻時，就會部分剝落并壓入鋁帶表面，經(jīng)軋制后形成粘鋁印痕，粘鋁印痕的塑性比鋁的低。在軋制的過程中粘鋁印痕延伸比鋁的小，在拉應力作用下粘鋁印痕夾雜被拉裂，使該區(qū)域的材料受到破壞，隨著軋制道次增多，嚴重的則越來越長并變成黑條缺陷，輕微的則逐漸消失[1]。另外隨著乳液中鋁粉不斷增多，鋁粉、氧化鋁等顆粒會逐漸累積，軋制時鋁粉與油、油性添加劑、氧化鋁等在帶材表面形成潤滑膜，使得膜過厚并造成油膜不均勻，從而引起帶材表面顏色不均勻、粘鋁、金屬壓入等，最終形成帶材表面的黑點黑條缺陷。

鋁熱軋帶材表面黑點黑條的本質(zhì)就是生產(chǎn)時帶材表面壓入的鋁粉、油污及鋁粉混合物或者帶材表面劃傷。

1.2 鋁熱軋帶材表面黑點黑條形成的原因

鋁熱軋帶材表面黑點黑條形成的原因分以下四種：一是軋制的潤滑不良造成軋輥嚴重粘鋁形成鋁粉持續(xù)的剝落壓入形成的黑點黑條；二是輥刷使用不足或過量使軋輥涂層過厚或過薄造成鋁粉及混合物的不均勻傳遞和嵌入形成的黑點黑條；三是乳液的循環(huán)過濾不良導致乳液鋁粉粘附在帶材表面形成的黑點黑條；四為機械擦劃傷形成的黑點黑條。

1.3 鋁熱軋帶材表面黑點黑條的典型案例分析

5182鋁合金熱軋帶材表面黑點黑條的典型照片及對應的掃描電鏡和能譜數(shù)據(jù)如圖1、表1所示。

表1 圖1中4個樣品的能譜分析數(shù)據(jù)(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Energy spectrum analysis data of the four samples in Fig.1(wt/%)

圖1a是潤滑不足造成鋁粉持續(xù)剝落壓入帶材表面形成的黑點黑條。由于輥縫區(qū)局部位置出現(xiàn)潤滑失效，造成軋輥與新生成的帶材表面直接接觸而產(chǎn)生粘著，部分鋁粉粘附到輥面。黏附于軋輥表面的鋁粉粘附層達到一定厚度就會隨著軋制的進行持續(xù)地剝落并壓入鋁帶表面。這種剝落后又壓入的粘鋁印痕在拉應力作用下就會在鋁帶材表面產(chǎn)生垂直于軋制方向的微裂紋(圖1b)，微裂紋處氧化加劇，導致失去金屬光澤。從能譜分析結果看，O、Mg含量均為正常值的一倍，且C含量正常，這是典型的粘鋁。圖1c是輥刷使用過度后由脫落的鋁粉嵌入而形成的黑條，從電鏡和能譜檢測看C、O含量有一定上升，且含有少量的Fe 元素，而Fe的來源為使用的鋼絲輥刷。圖1e是乳液中含有油的鋁粉嵌入形成的黑點，其能譜檢測C、O的含量明顯更高，是明顯的有機物殘存碳而形成的。圖1g是下表面機械擦劃傷形成的黑條，其電鏡和能譜檢測，O、Fe含量更高，是典型的與帶材接觸的尖銳物體劃傷而造成的。

圖1 5182鋁合金熱軋帶材表面黑點黑條宏觀形貌及掃描電鏡形貌Fig.1 Macroscopic morphologies of black spot and stripe defects on the surface of 5182 aluminum alloy hot rolled strip and their morphologies under scanning electron microscope

2 有效控制鋁熱帶材表面黑點黑條產(chǎn)生的主要措施

鋁軋制過程產(chǎn)生鋁粉是必然的，熱軋鑄錠在輥道上運動或形成穩(wěn)定軋制都離不開鑄錠或軋制板坯與輥道、軋輥之間摩擦力，有摩擦力存在必然會產(chǎn)生鋁粉。鋁粉的出路有以下幾點：一部分粘附在軋輥表面，與潤滑油一起形成涂層；一部分脫落后漂浮在乳液中，隨乳液過濾系統(tǒng)出去，或與乳液中的脂肪酸反應形成金屬皂[2](即皂化反應)被過濾掉；一部分粘附在鋁帶材表面或直接壓入鋁基體上，形成黑點黑條缺陷。

那么有效減少和控制鋁粉產(chǎn)生就成了控制黑點黑條的主要措施。

2.1 減少鋁粉產(chǎn)生的措施

2.1.1 建立軋制過程良好潤滑條件

在保證軋制不打滑的前提下，提高潤滑性能是關鍵。針對熱粗軋和熱精軋不同表面質(zhì)量要求，乳液配置需采用不同的策略：一般中間坯表面質(zhì)量要求遠遠低于精軋后的表面質(zhì)量要求，所以粗軋乳液配置側重于保證軋輥的咬入能力，建立穩(wěn)定的軋制，精軋機的目標是獲得良好的帶材表面質(zhì)量[3]。

影響潤滑的因素：

1)乳液的熱分離能力(即熱穩(wěn)定性、油水分離性)。熱分離性即油在受熱條件下從乳化液中析出的難易程度[2]，當乳液噴射到軋輥表面上時，由于受熱乳液的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，分離出來的油吸附在軋輥表面，形成潤滑膜，起防止粘鋁作用，即熱分離越好潤滑效果也就越好。一般乳液在50 ℃～65 ℃穩(wěn)定性較好，而在80 ℃～95 ℃時熱軋分離性相對較好。圖2是8.0%的乳液濃度分別在70 ℃、90 ℃時油水分離后油珠的情況。從照片看同樣濃度的乳液在90 ℃時油分離出來聚集的效果要明顯好于70 ℃時的，其潤滑效果也更好。

圖2 不同溫度下油水分離后油珠情況Fig.2 Oil droplets after oil-water separation at different temperatures

2)乳液具有較好油性和極壓性能。在軋制輥縫區(qū)高溫、高壓、高速條件下，要求乳液除了有較好的油性外(油性是指潤滑油中極性分子濕潤或吸附于摩擦表面形成邊界油膜的性能，吸附能力越強，油性越好，反之越差)，還需要有良好的極壓性能來避免極壓條件下油膜被壓破裂而產(chǎn)生摩擦面粘結和擦傷。

3)適中的乳液黏度。黏度是液體的內(nèi)摩擦，反應的是流體流動阻力的大小，黏度越大，在變形區(qū)的油膜越厚、強度越大，流體摩擦比例增大，摩擦力、軋制力減小，潤滑能力增強；但黏度過大，導致帶材表面與軋輥表面完全被油膜隔開，金屬表面產(chǎn)生粗糙化現(xiàn)象。

工藝因素不同對潤滑要求也不同。

根據(jù)鋁合金軟硬不同選擇適當?shù)臐櫥寒斎?、出口厚度一定時,坯料越軟,軋制力也越小，需要的潤滑能力也越弱；坯料越硬，軋制力也越大，需要的潤滑能力也越強。

道次壓下率或機架間的壓下率分配對潤滑的要求：隨著壓下率的增加，入口油膜厚度下降，摩擦因數(shù)增大進而導致摩擦力增加，增大了帶材的磨損[5]，反之則降低帶材磨損。所以要根據(jù)壓下率的增加或減小，適當?shù)脑黾踊驕p小潤滑能力。

適中的軋輥溫度(受軋制速度、合金的硬度、乳液冷卻流量等多項工藝因素影響)。輥溫對潤滑影響是雙向矛盾的，從乳液油水分離的條件看，希望軋輥溫度偏高??；但從油自身黏度隨溫度增加變小來看，輥溫也不能太高。結合現(xiàn)場使用記錄對比，輥溫控制在80 ℃～95 ℃之內(nèi)比較理想。某公司通過減少乳液冷卻量、提高軋制速度使軋輥溫度由60 ℃提高到了85 ℃，黑點黑條缺陷量減少了25%。

軋制速度對潤滑的要求：當軋制速度提高，帶入變形區(qū)的潤滑油量增加,油膜厚度相應增加,摩擦因數(shù)減小,軋制力、摩擦力相對減小，需要的潤滑相應減弱。

適當?shù)能堓伇砻娲植诙取＼堓伌植诙仍酱?，軋輥表面微凸起部分的尖峰高度越?與軋件的接觸及粘著區(qū)面積越大,摩擦因數(shù)越大,摩擦力、軋制力也越大,從而磨損越大[6]，對潤滑的要求也較高。

2.1.2 建立良好的軋輥鋁粉粘附層

軋輥和軋件都經(jīng)受高溫、高壓和摩擦作用，一部分鋁粉被積累，在輥面上形成包括鋁、鋁氧化物和軋制油的薄膜，以鋁氧化物為主要成分。軋輥和帶材之間的摩擦在很大程度上取決于這層粘附層的狀況。一般來說，當粘附層較厚時，咬入特性增強。但是，由于軋制負載的增加或者粘鋁的掉落，導致軋輥表面鋁粉粘附層的不均勻傳遞和嵌入，使其產(chǎn)生表面黑點黑條缺陷；反之，當粘附層太薄時，光滑度增加，而咬入困難，或容易滑動，往往軋制不穩(wěn)定。因此，厚度適中、堅固的鋁粉粘附層是減少黑點黑條的關鍵。含油的堅固的鋁粉粘附層避免了軋輥與帶材表面的直接接觸，減少了粘鋁[2]。

影響軋輥鋁粉粘附層的因素：

合金種類對軋輥鋁粉粘附層的影響：當出、入口厚度一定時，坯料越硬，其軋制力越大，變形區(qū)溫度也越高，帶材與軋輥粘結的程度越重，軋輥粘附層形成就較快且較厚；坯料越軟，軋制力越小，變形區(qū)溫度越低，軋輥涂粘附層形成就較慢且較薄。

軋輥溫度和軋制力對軋輥粘附層的影響：輥溫越高、軋制力越大，軋輥粘附層涂敷較快且較厚；輥溫越低、軋制力越小，軋輥粘附層就越難形成且較薄。

輥刷使用要素對軋輥粘附層的控制：在軋制時，輥刷可以有效控制軋輥表面粘附層厚度及其均勻性，使輥面鋁粉粘附層處于一個理想穩(wěn)定狀態(tài)。其影響因素包括刷痕寬度、輥刷速度、噴射沖洗條件、震蕩頻次、輥刷材質(zhì)(鋼絲刷與尼龍刷)。某公司通過優(yōu)化配置控制輥刷使用要素，使每月的黑點黑條缺陷減少了35%。

2.2 有效去除乳液中的鋁粉

1)霍夫曼真空過濾法

其原理是在真空負壓的作用下，懸浮液中的液體透過過濾布被抽走，而鋁粉等固體顆粒則被介質(zhì)所截留，從而實現(xiàn)乳液和鋁粉的分離。真空過濾機是應用表面過濾機理，當懸浮液中的液體流向過濾介質(zhì)時，大于或者是相近于過濾布孔隙大小的鋁灰等固體顆粒會首先以架橋的方式在濾布表面形成初始層，該層可截留更小的鋁粉顆粒，因此不斷沉積的鋁粉等固體顆粒便逐漸在初始沉積層上形成具有一定厚度的濾餅，實現(xiàn)了乳液中鋁粉的清除[8]。

2)浮油撇除法

目前撇油的方法分為三類：一是吸附刮除法，如金屬原盤、皮帶或鋼帶撇油機。二是表面吹掃溢法，如旋轉船式、手動圓浮桶、升降船式浮桶。三是在線專用撇油?；驹恚喝橐涸谶\行或靜止過程中沒有充分乳化的油滴在上浮過程中，利用吸附原理(油的黏度比水大很多)將細小鋁粉吸附在油滴的表面，當然油滴比較鋁粉大時，鋁粉也能進入油滴內(nèi)部，隨浮油一起給予清除。該方式是有效去除小于過濾系統(tǒng)精度的鋁粉的辦法之一。

3)脂肪酸皂化反映法

利用乳液油水分離后油滴中的脂肪酸與細小鋁粉反應產(chǎn)生金屬皂。

3 結束語

鋁熱軋帶材表面的黑點黑條曾是某公司表面質(zhì)量的重大缺陷問題?？刹扇〉挠行Т胧?)通過優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，合理控制乳液噴射量和軋制速度來提高軋輥溫度，實現(xiàn)乳液良好的熱分離；2)優(yōu)化軋輥磨削工藝控制輥面粗糙度；3)合理控制輥刷的使用要素來建立了良好的軋輥涂層；4)多種形式的撇油方法配合使用。采取多種措施后帶材表面的黑點黑條缺陷得到了有效控制。