銅及銅合金板帶材表面清洗處理技術(shù)概述

劉明華

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司，安徽 銅陵 244001 )

銅及銅合金板帶材生產(chǎn)工藝通常為，大規(guī)格鑄錠→熱軋開坯→銑面→冷粗軋→退火→清洗→冷精軋→退火→清洗→分條→包裝。由此可見，表面清洗是銅及銅合金板帶材生產(chǎn)過程中不可缺少的工藝。表面清洗線就是用于對(duì)冷軋或退火后的銅及銅合金帶材表面進(jìn)行脫脂、酸洗、刷洗、清洗和鈍化的加工設(shè)備。作為脫脂酸洗拋光清洗線的主要機(jī)能是去除銅及銅合金板帶材生產(chǎn)前工序的表面缺陷，達(dá)到更好的表面質(zhì)量和表面光澤，產(chǎn)品既有中間產(chǎn)品，也有最終產(chǎn)品。中間酸洗拋光清洗線可去除軋制造成的表面污垢，使精軋后的銅及銅合金板帶材達(dá)到更好的表面質(zhì)量，產(chǎn)品的最后清洗拋光會(huì)使材料的表面光澤一致，達(dá)到更好的產(chǎn)品質(zhì)量。

清洗的工序一般步驟為，(1)預(yù)脫脂，去除黏附在油外層上的污物和顆粒；(2)脫脂，去除黏附的油；(3)酸洗，去除氧化層(CuO、Cu2O)；(4)刷洗磨面，去除表面缺陷；(5)鈍化處理，鍍BTA膜(BTA膜的保持溫度是90℃)。

1 表面脫脂

生產(chǎn)銅及銅合金板帶材采用表面脫脂清洗技術(shù)，既改善表面質(zhì)量，又提高抗蝕能力。由于軋制過程中殘留在銅及銅合金板帶材表面上的冷卻潤(rùn)滑劑(軋制油和乳液)，形成“污斑”，其他工序殘留的油脂、污物等，也加劇了銅及銅合金板帶材表面腐蝕。因此，進(jìn)行表面脫脂清洗顯得尤為重要。

油污按其性質(zhì)可分為皂化油和非皂化油兩類。皂化油是來源于動(dòng)植物的油脂，能與堿液起化學(xué)反應(yīng)生成皂；非皂化油是不與堿液起化學(xué)反應(yīng)的礦物油脂，如凡士林、潤(rùn)滑油和石蠟等。兩類油脂都不溶解于水，因此無法直接用水把它們清洗干凈，一般是采用有機(jī)溶劑處理、堿液處理或電化學(xué)處理的方法進(jìn)行去除。

堿液脫脂是銅加工廠普遍采取的脫脂清洗方式，是利用堿性溶液對(duì)油污的皂化作用，進(jìn)而除去皂化性油污。當(dāng)堿液添加少量表面活性劑，對(duì)非皂化油(礦物油)起到乳化作用，也可以除去非皂化性油污。因?yàn)樵砘臀墼趬A性溶液中分解生成水溶性皂化物，即發(fā)生皂化，溶液中的乳化劑具有降低水、油界面表面張力的作用，減少了油滴的附著能力；而且乳化劑吸附在油滴的表面，所以，油滴呈懸浮的分散狀態(tài)，既不聚集在一起，也不會(huì)再沉淀在銅及銅合金板帶材表面上，達(dá)到了脫脂清洗的目的。目前，一般銅加工廠使用的脫脂劑為德國(guó)漢高公司生產(chǎn)的P3試劑的水溶液，其濃度為0.3%～0.5%， 溫度控制在60℃～70℃。

堿液脫脂清洗工藝簡(jiǎn)單、成本低、效果好。堿液脫脂清洗的方式為預(yù)噴淋脫脂+脫脂刷洗。預(yù)噴淋脫脂是采用高壓熱水噴淋去除銅及銅合金板帶材表面大部分殘油；脫脂刷洗是采用貝綸刷輥(適合一般銅及銅合金板帶材表面脫脂的刷輥絲徑一般在Φ0.2～Φ0.45 mm之間)在橡膠背壓輥支撐及大量堿液沖洗下，以一定的壓力和速度，均勻、穩(wěn)定地刷洗銅及銅合金板帶材表面，進(jìn)一步提高脫脂質(zhì)量。脫脂效果的好壞決定了銅及銅合金板帶材退火、酸洗質(zhì)量的高低。

2 表面酸洗

銅及銅合金板帶材經(jīng)熱處理后，表面易氧化生成一層氧化皮，這層氧化皮不僅影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量與使用性能，而且性質(zhì)硬而脆，易損傷軋輥表面，故采用酸洗清除氧化皮。銅及銅合金的氧化皮最外層為黑色CuO，CuO下面還有一層紅色的Cu2O。采用酸洗銅及銅合金時(shí)，酸與氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(CuO + H2SO4→CuSO4+ H2O； Cu2O + H2SO4→Cu + CuSO4+ H2O)，將氧化物完全溶解，從而達(dá)到清除的目的。

酸洗的工藝參數(shù)主要有酸洗液的濃度、溫度及酸洗時(shí)間，具體的工藝參數(shù)應(yīng)根據(jù)合金的牌號(hào)、酸液成分、質(zhì)量要求及設(shè)備狀況而定。酸洗純銅和黃銅通常采用5%～15%的硫酸溶液，青銅的濃度要高一些(10%～20%)，酸洗溫度一般為40℃～60℃，酸洗時(shí)間從幾秒到幾十秒不等。酸洗方式一般有浸沒式和噴淋式兩種。浸沒式酸洗指的是將銅及銅合金板帶材浸入酸洗液，主要用于清除銅及銅合金板帶材表面較厚的氧化膜，適用于厚度小于3mm的銅及銅合金板帶材；噴淋式酸洗指的是將高壓酸洗液均勻噴射在銅及銅合金板帶材上下表面上，主要用于清除較薄的氧化膜。噴淋式酸洗可提高酸洗質(zhì)量和生產(chǎn)線速度。

酸洗時(shí)產(chǎn)生的缺陷有，當(dāng)濃度大、溫度高及酸洗時(shí)間長(zhǎng)，易出現(xiàn)過酸洗，這不僅增加銅及酸液的損耗，也影響銅及銅合金板帶材表面的質(zhì)量；如果酸洗后殘留酸處理不干凈，會(huì)形成腐蝕斑點(diǎn)；氧化皮清除不干凈，會(huì)殘留氧化斑點(diǎn)；水洗不干凈或者干燥不及時(shí)、不徹底時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水跡或酸跡等。酸洗無法清除銅及銅合金板帶材表面附著的殘油及各種污物，不進(jìn)行脫脂清洗會(huì)嚴(yán)重影響銅及銅合金板帶材的酸洗質(zhì)量。因此，為了獲取高表面質(zhì)量的產(chǎn)品，銅及銅合金板帶材在進(jìn)入酸洗前應(yīng)進(jìn)行脫脂清洗。

3 研磨刷洗

研磨刷洗一般與酸洗同時(shí)配置，其作用是去除銅及銅合金板帶材在酸洗過程中表面殘留的氧化物，同時(shí)消除板帶材在軋制過程中產(chǎn)生的創(chuàng)傷，并磨光銅及銅合金板帶材表面，從而獲得優(yōu)異一致的表面質(zhì)量。

研磨刷洗是指高速旋轉(zhuǎn)的研磨刷輥在橡膠背壓輥支撐及大量清水沖洗(冷卻)下，均勻、穩(wěn)定地刷洗銅及銅合金板帶材表面。值得注意的是，研磨刷輥在運(yùn)行過程中不能有徑向跳動(dòng)和振動(dòng)，否則板帶材會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振痕和刷印，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。研磨刷輥在刷磨銅及銅合金板帶材時(shí)，合適的接觸壓力、刷輥速度、噴嘴的流量及方向是保證刷磨質(zhì)量的關(guān)鍵。實(shí)際生產(chǎn)中一般通過提高刷輥的速度、降低接觸壓力來延長(zhǎng)刷輥壽命，提高拋光效果。

目前研磨刷輥有兩種基本形式，一種是在尼龍絲上涂附氧化鋁或碳化硅等研磨顆粒制成的磨料絲刷輥；一種是在不織布中加入氧化鋁或碳化硅磨粒組成的研磨刷輥。對(duì)于一般表面的銅及銅合金板帶材，可以使用含有氧化鋁磨料的磨料絲刷輥，刷輥絲徑一般為Φ0.25～Φ0.35 mm，磨粒目數(shù)為500～600目。其缺點(diǎn)是清潔作用較差，清洗后的表面一致性差，劃痕較嚴(yán)重，優(yōu)點(diǎn)是不用壓力控制操作，壽命長(zhǎng)。對(duì)于高表面質(zhì)量要求的銅及銅合金板帶材，應(yīng)使用不織布研磨刷輥，且產(chǎn)品表面質(zhì)量要求越高，刷輥目數(shù)越高，不織布研磨刷輥的磨粒目數(shù)為1200～4000目，硬度為40～60，其缺點(diǎn)是壽命短，生產(chǎn)成本高。因此，為獲取高表面質(zhì)量的銅及銅合金板帶材，應(yīng)采用研磨工藝，必須配置研磨設(shè)備，一般四頭機(jī)較為常見，如圖1所示。

圖1Fig.1

我們的使用經(jīng)驗(yàn)是，退火及酸洗后，為了去除銅及銅合金板帶材表面氧化物和拋光，研磨刷輥清潔工藝組合通常為#600-#1000和#1000-#2000；為了達(dá)到表面一致及更好的表面效果，消除劃痕，銅及銅合金板帶材表面處理后的拋光工藝組合通常為#2000-#2500和#3000-#4000。

在銅及銅合金板帶材日常生產(chǎn)過程中，我們的經(jīng)驗(yàn)舉例如下，研磨刷輥品牌為昭和電工；研磨刷輥尺寸為Φ360mm×800mm；研磨刷輥轉(zhuǎn)速為880 m/min；帶材速度為10m/min；負(fù)荷1A/100mm(電壓220V)；研磨工藝見表1。

4 防氧化處理(鈍化處理)

銅及銅合金板帶材在高溫、潮濕環(huán)境中儲(chǔ)存或運(yùn)輸，極易發(fā)生氧化并逐漸變色，從而影響產(chǎn)品外觀或二次加工。因此，銅及銅合金板帶材清洗后防止變色(鈍化處理)顯得尤為重要，鈍化處理工序必不可少。鈍化處理既可以采用浸入式，也可以采用噴淋式。

表1

目前銅及銅合金防變色抑制劑應(yīng)用最廣泛的是采用苯丙三氮唑(簡(jiǎn)稱 BTA )以及BTA誘導(dǎo)的脂肪酸氨化合物。這種鈍化劑在60℃～70℃溫度下，能夠在較短時(shí)間內(nèi)形成一種均勻穩(wěn)定的保護(hù)膜(鰲合聚合物)，在一定時(shí)間內(nèi)保證銅及銅合金板帶材不變色，能較好的保持金屬光澤。在連續(xù)清洗機(jī)列中，鈍化工藝常用于刷洗沖洗后、烘干前銅及銅合金板帶材處理。

鈍化劑的使用條件是濃度0.2%～0.5%，溫度75℃～85℃，處理時(shí)間不少于4～5s。鈍化劑可以循環(huán)使用，由于銅及銅合金板帶材表面的金屬粒子及其他殘留污物會(huì)造成鈍化液中離子濃度的提高。因此，必須要經(jīng)常檢測(cè)鈍化液的離子濃度，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)應(yīng)徹底更換，重新配制鈍化液。為避免普通自來水中含有的鈣、鎂等離子與鈍化劑反應(yīng)生成結(jié)晶，影響鈍化效果，鈍化液配制應(yīng)采用去離子水。

鈍化處理時(shí)，若銅及銅合金板帶材沒有被完全干燥，鈍化液的液滴會(huì)殘留在帶材表面，當(dāng)水分蒸發(fā)后會(huì)出現(xiàn)白色BTA結(jié)晶。為了防止結(jié)晶出現(xiàn)，在鈍化處理后，用3M輥將殘留在帶材表面的水除去，并用熱風(fēng)干燥。鈍化后的銅及銅合金板帶材，在二次加工前，可根據(jù)需要采用酸洗、堿洗或電解脫脂將鈍化膜去除。

5 結(jié)束語

綜上所述，為滿足現(xiàn)代高精銅及銅合金帶材后續(xù)電鍍、焊接、沖壓等二次加工需要，應(yīng)提高銅及銅合金板帶材表面質(zhì)量(光亮、平整、無污染、耐大氣腐蝕)。因此，銅及銅合金板帶材中間及成品的清洗是銅及銅合金板帶材生產(chǎn)工藝中最重要的生產(chǎn)工序。

[1] 王濤,高希巖.銅及銅合金板帶材表面清洗技術(shù)及裝備[J].有色金屬加工,2009(3):