一種孤立性鋁箔針孔的特征及其形成機(jī)制

沈向前，劉曉烈，徐 磊，趙丕植， 姚學(xué)永，文鐘欣

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610039; 2.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院， 北京 100082； 3.華西鋁業(yè)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610500)

鋁箔作為廣泛應(yīng)用于電池、藥品、食品以及電容器等行業(yè)的材料，其針孔是衡量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，尤其是對(duì)于超薄雙零鋁箔而言，針孔率的大小決定了其質(zhì)量的優(yōu)劣。超薄鋁箔通常是指厚度≤0.008 mm的雙零鋁箔(小數(shù)點(diǎn)后兩位兩個(gè)零)，鋁箔軋制所能制備的最薄厚度某種程度上也反映了一個(gè)國家的鋁加工的技術(shù)水平[1-2]。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益來看，希望生產(chǎn)更薄的鋁箔，因?yàn)檫@樣可以在單位重量鋁錠中軋制出更多比面積的鋁箔產(chǎn)品，但是隨著厚度減少，產(chǎn)生的針孔往往呈幾何指數(shù)增加,因此減少針孔的產(chǎn)生一直是鋁箔加工中面臨的重要課題之一[3-8]。本文對(duì)鋁箔軋制過程中出現(xiàn)的一種典型孤立形態(tài)針孔形成的原因進(jìn)行了研究，并據(jù)此提出了改進(jìn)生產(chǎn)工藝以期減少此類針孔產(chǎn)生的措施。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為0.008 mm厚AA8079工業(yè)鋁箔，其主要成分如表1所示。在暗室中采用透光法觀察鋁箔，隨機(jī)抽取針孔(穿透鋁箔的孔洞)式樣和凹坑(尚未穿透)式樣，采用Olympus GX51 金相顯微鏡和JSM-6480 掃描電鏡觀察和分析所抽取式樣的孔洞和凹坑的微觀形貌，采用光學(xué)顯微鏡標(biāo)尺統(tǒng)計(jì)法測(cè)量油坑面積。

表1 鋁箔的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) % )

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鋁箔表面形貌觀察

圖1為初次軋制道次后鋁箔SEM表面形貌(a、c光面，b、d毛面)。由圖可知，在未形成針孔處，鋁箔光面存在一系列平行的“犁溝”淺槽，這些淺槽是軋輥表面粗糙度的波峰壓入鋁箔并對(duì)較軟的鋁箔表面摩擦磨損而形成的，其上有很多小的凹坑。實(shí)際生產(chǎn)中，光面是軋輥和鋁箔材料接觸的地方，需要有一層油膜隔離，這層油膜在軋輥壓力下會(huì)在鋁箔表面的“犁溝”淺槽處形成小的油坑。在雙零鋁箔軋制中常用雙合軋制，在兩層鋁箔和潤滑油共同作用下，在鋁箔表面形成了毛面的波浪形貌，類似于“橘皮”形貌，有文獻(xiàn)認(rèn)為這是鋁箔表層非約束變形的結(jié)果[9]，在毛面部分壓力大的地方形成了凹坑。當(dāng)鋁箔光面的油坑與鋁箔毛面的凹坑相連時(shí)就容易形成穿透形的針孔，這在后面模型里有進(jìn)一步的論述。這種針孔顯然不是由雜質(zhì)相形成的，也不是連續(xù)分布的，是在鋁箔軋制過程中，單獨(dú)在軋制力作用下形成的；因此，被稱為孤立型針孔。從掃描電鏡觀察可知，針孔及凹坑處均未發(fā)現(xiàn)粗大化合物或夾雜。

圖1 初次軋制道次后針孔及凹坑處SEM表面形貌(a、c光面，b、d毛面)

2.2 針孔和凹坑結(jié)構(gòu)

圖2為在后續(xù)軋制道次中的針孔金相顯微觀察形貌(a、c光面，b、d毛面)。如圖所示毛面粗糙度較大，針孔周圍有較大的凹陷環(huán)繞；光面粗糙度較小，分布著較多密集的小油坑。此外，針孔并不是規(guī)則的孔洞，而是有一定的方向性，其長(zhǎng)度方向和鋁箔軋制走向一致。這種方向性應(yīng)該是前面軋制道次中先出現(xiàn)的孔(近似圓孔)在后續(xù)軋制道次中，在軋制方向上繼續(xù)受軋制力拉伸變形的結(jié)果。因?yàn)殇X箔整體上在軋制方向上要受力延展拉伸變形。由光面的“犁溝”劃痕可以看出軋輥表面對(duì)鋁箔有一定的摩擦磨損作用，而且孔洞往往出現(xiàn)在較深的“犁溝”劃痕處。從孔洞和油坑觀察，沒發(fā)現(xiàn)和周圍組織有較大區(qū)別，進(jìn)一步排除異質(zhì)相的可能。

圖2 后期軋制道次后針孔及凹坑處表面形貌(a,c光面，b,d毛面)

2.3 油坑面積百分比變化

為了更好地分析油坑和針孔之間的形成關(guān)系，分別測(cè)量了深度δ=0.10 μm和δ=0.25 μm的油坑占總面積比和軋制道次之間的關(guān)系，如圖3所示，隨著軋制道次從初軋到軋制1次，軋制2次，深度分別約δ=0.10 μm和δ=0.25 μm的油坑面積比都呈線性下降變化。圖4為鋁箔軋制速度與油坑面積比的變化關(guān)系，從圖中可知，隨著軋制速度的增加油坑面積比逐漸增大。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

鋁箔軋制時(shí)，光面油坑和毛面波浪的深凹坑聯(lián)結(jié)的鋁箔薄弱處易導(dǎo)致穿孔形成針孔，其作用機(jī)制如圖5所示。結(jié)合前面的分析可知，這種針孔是光面油坑和毛面凹坑在潤滑油壓力作用下擴(kuò)大穿透鋁箔而形成的。毛面粗糙度越大、軋制速度越大，軋制

圖3 針孔面積比和軋制道次關(guān)系 圖4 針孔面積比和軋制速度關(guān)系

圖 5 針孔形成過程示意圖

變形量就越大，這類針孔出現(xiàn)的幾率就越大。鋁箔軋制屬于極限壓延，通常采用恒壓軋制, 鋁箔軋制中的潤滑劑擔(dān)負(fù)著冷卻、加熱及清洗作用。同時(shí)，軋制中在光面形成的油坑也和潤滑油的油膜厚度、黏度以及潤滑油對(duì)鋁箔和軋輥面的吸附性有關(guān)[3-7]。所以，應(yīng)該在保證足夠潤滑的前提下，應(yīng)盡量減少進(jìn)入軋輥面和鋁箔間形成的潤滑油，最終減少油坑和針孔。此外，針孔也深受毛面粗糙度影響。前述表明，由毛面粗糙度的波谷形成的凹坑最終有部分形成了針孔，因此適當(dāng)降低毛面粗糙度對(duì)減少針孔也是有利的。毛面粗糙度和軋坯的微觀組織、軋制工藝有關(guān)，因此適當(dāng)?shù)木Я＜?xì)化、軋制速度的優(yōu)化和成分均勻化都有利于減少針孔幾率。

4 油坑導(dǎo)致針孔處應(yīng)力分析

為了更好地分析由于油坑導(dǎo)致的針孔處所受的壓力狀態(tài)，采用ANSYS進(jìn)行模擬分析。圖6所示為軌制變形區(qū)內(nèi)任一微元體上的受力情況。其中道次軋制前板厚為H，軋制后板厚為h，abcd為鋁箔軋制變形區(qū)內(nèi)任一微分體積元，其厚度為dx，左側(cè)高度為hx+dhx,弧長(zhǎng)ab可近似等于弦長(zhǎng)，軋件中部寬度假設(shè)為B。在接觸面上軋輥對(duì)鋁軋件有徑向壓力px和摩擦力tx,經(jīng)一系列推導(dǎo)可得卡爾曼(Karman)單位壓力微分方程[10]：

圖6 鋁箔軋制受力分析示意圖

(1)

由公式可知，軋制壓力為微分單元體上的單位壓力與微分單元體表面水平投影面積乘積之和。

用ANSYS Workbench14.0 版本軟件建模，采用四分之一模型分析,軋件長(zhǎng)0.6 m, 寬1.7 m, 厚高0.000 6 m。X方向設(shè)為延伸方向,Y方向?yàn)楹穸确较?。取?shí)際最大軋制力2.0e+09N，油坑直徑取平均值0.000 3 mm，網(wǎng)格劃分如圖7所示。經(jīng)模擬計(jì)算后的等效應(yīng)力如圖8所示。如圖所示，在油坑底部分布最大等效應(yīng)力，說明在油坑底部最容易首先出現(xiàn)材料破裂失效，導(dǎo)致針孔出現(xiàn)，這和圖5針孔形成過程示意圖的分析是一致的，即在毛面波浪形的波谷處和相對(duì)應(yīng)的油坑處，在軋制力作用下該聯(lián)結(jié)部位被穿透產(chǎn)生穿孔。

圖7 鋁箔軋制網(wǎng)格劃分四分之一模型

圖8 等效應(yīng)力四分之一模型

5 結(jié)論

1)孤立性針孔四周圍繞著凹陷，后續(xù)道次孤立性針孔形貌在軋制力作用下被拉伸變形，且與鋁箔軋制方向平行，微觀形貌觀察表明孤立性針孔不存在外來雜質(zhì)。

2)實(shí)際微觀檢測(cè)和ANSYS 分析表明該類針孔和鋁箔光面油坑相伴產(chǎn)生，是在毛面波浪形的波谷處和相對(duì)應(yīng)的油坑處在軋制作用下聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的穿孔。

3)針孔面積比隨著軋制道次的增加逐漸減小，隨著軋制速度的增大而增大。

4)減少毛面粗糙度，控制光面軋制油坑的產(chǎn)生都可以降低針孔產(chǎn)生的幾率。

特約作者介紹

沈向前(1973—)，男，河北衡水人，講師，博士，河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)1992級(jí)本科生、河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料加工工程專業(yè)2004級(jí)碩士研究生，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)專業(yè)2005級(jí)博士研究生。主持、參與完成國家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目9項(xiàng)。主要研究方向?yàn)闅淠茉床牧?、耐磨材料、鋁深加工技術(shù)，以第一作者發(fā)表論文10余篇，SCI收錄4余篇。參與申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)。擔(dān)任International journal of hydrogen energy期刊審稿人。