鋁合金殼體材料黑線問題的研究與解決

趙斌南，蔣軍洪

（昆山市超群金屬制品有限公司，昆山215321）

0 前言

鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、散熱快、電磁屏蔽效果好、耐候、耐腐蝕等優(yōu)良性能，表面裝飾豐富多彩，回收方便，無毒害，環(huán)保性能優(yōu)異，已經(jīng)逐步替代工程塑料（PC+ABS）成為電子產(chǎn)品外殼的主要材料[1]。

作為高端電子產(chǎn)品的筆記本、手機(jī)外殼，具有極強(qiáng)的裝飾性，不僅機(jī)械性能要求高，而且要求外表精美。所以對(duì)經(jīng)過機(jī)加工和表面處理后的鋁外殼，不允許有黑點(diǎn)、異色、劃痕等肉眼所能發(fā)現(xiàn)的缺陷。目前，原材料不良造成的加工氧化后的黑線問題通常是鋁合金殼體材料不良中最多的一類，業(yè)界尚沒有對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 黑線問題的調(diào)查分析

1.1 黑線問題描述

電子產(chǎn)品的加工過程：鋁排→降面→打磨→噴砂→陽極氧化。黑線一般在噴砂工序前難以發(fā)現(xiàn)（嚴(yán)重的黑線在噴砂后可以被發(fā)現(xiàn)），在陽極氧化后方可發(fā)現(xiàn)。所有黑線都是沿著擠壓變形方向排列，分布在工件表面（見圖1）。

圖1黑線樣品

對(duì)樣品進(jìn)行弱堿腐蝕后，工件表層的氧化膜可全部腐蝕掉，但黑線仍然很明顯存在工件上，說明黑線不是由于陽極氧化造成的，而是由于鋁材料中存在的夾雜物在擠壓過程中被拉長(zhǎng)所致。黑線超過約定比例（一般為2%）產(chǎn)品將視為不合格。

為進(jìn)一步搞清黑線產(chǎn)生的原因，需對(duì)黑線進(jìn)行定量分析，確定黑線成分，并制定解決措施。

1.2 黑線的電鏡分析

將黑線樣品進(jìn)行前期處理，去除表面氧化膜，酒精清洗后吹干，放在電鏡下進(jìn)行掃描分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺陷處存在大量的凹坑和許多小顆粒夾雜物（見圖2）。

圖2典型黑線樣品的形貌（放大1000倍）

對(duì)3個(gè)黑線樣品進(jìn)行定量成分分析，分析結(jié)果分別如圖3～圖5所示。通過分析可推測(cè)，黑線的主要成分為氧化鋁夾雜物、鎂鋁尖晶石、硅的氧化物、含鈦化合物及含鐵化合物。因此，提高熔體質(zhì)量，保證均質(zhì)效果，防止過程污染是解決黑線的關(guān)鍵。

圖3 1號(hào)樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

圖4 2號(hào)樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

圖5 3號(hào)樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

2 黑線的解決方案

2.1 工藝操作變更對(duì)黑線的影響

在熔鑄工藝過程中首先要注意提升熔體質(zhì)量，保證均質(zhì)效果。通過對(duì)熔鑄全過程工序進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，下列工藝操作變更對(duì)黑線的影響較大：（1）爐組全部大清理，減少積渣，產(chǎn)品黑線減少；（2）優(yōu)化精煉工藝、提高精煉效果，產(chǎn)品黑線減少；（3）增加鋁鈦硼絲在線添加量，產(chǎn)品黑線增加；（4）將50ppi過濾板更換為70ppi過濾板，產(chǎn)品黑線增加；（5）降低鋁水流量速度，產(chǎn)品黑線減少；（6）采用較低溫度（545℃）均質(zhì)，產(chǎn)品黑線增加；（7）鑄棒頭部黑線與尾部黑線統(tǒng)計(jì)對(duì)比，頭部出現(xiàn)黑線多于尾部。

2.2 熔鑄生產(chǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)

結(jié)合黑線的能譜分析結(jié)果及工藝研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)熔鑄過程的關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行梳理（見圖6）。為保證鋁熔體質(zhì)量和均質(zhì)效果，下面對(duì)圖6中30個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分類的分析。

圖6黑線防控關(guān)鍵要素圖

（1）熔化階段的關(guān)鍵控制點(diǎn)：此階段主要是原材料的添加、合金調(diào)配及熔體凈化階段。首先，是原材料的質(zhì)量控制，鋁錠等原材料的質(zhì)量很大程度上決定最終產(chǎn)品質(zhì)量，宜選用雜質(zhì)元素較低、夾雜物含量比較少的鋁錠和中間合金，這方面可通過斷口分析、光譜分析、外觀檢查進(jìn)行質(zhì)量控制；其次，熔劑和氬氣的防潮也是關(guān)鍵點(diǎn)，熔劑水量應(yīng)低于0.2%。氬氣的純度應(yīng)達(dá)到99.999%以上，水含量控制在4×10-6以下；合理控制精煉溫度，規(guī)范精煉操作（制定專門的精煉路線和控制鋁液翻滾高度），保證熔劑均勻加入到鋁熔體中，保證精煉效果；定期進(jìn)行清爐，防止由于爐內(nèi)積渣過多，將夾渣帶入鋁水中。

（2）鋁鈦硼絲的選擇及添加對(duì)黑線的影響非常大。對(duì)鈦絲的選擇來說，要求TiAl3粒子均勻分布，且尺寸細(xì)?。ǎ?00μm），TiB2團(tuán)聚物總長(zhǎng)不應(yīng)超過25μm，Al2O3及鹽類附著物總長(zhǎng)度不應(yīng)超過500μm。TiB2粒子與氧化鋁的親和力非常強(qiáng)，TiB2粒子的濃度過大將導(dǎo)致TiB2團(tuán)聚及大量TiB2粒子和氧化鋁的附著物產(chǎn)生。相比AlTi5B1，AlTi5B0.2的TiB2粒子數(shù)量較少，TiB2粒子和氧化鋁的附著物也較少，因此，使用AlTi5B0.2產(chǎn)生黑線的概率也大為降低。鈦絲的添加位置宜添加到除氣箱之前，鈦絲在進(jìn)入除氣箱的時(shí)候，除氣轉(zhuǎn)子攪拌可保證鈦絲的充分熔解，同時(shí)也有利于保證其充足的響應(yīng)時(shí)間。鈦絲添加量在保證晶粒尺寸符合要求及不開裂的情況下，不宜添加過多，一般在線鈦添加量＜0.008%，過多容易導(dǎo)致鈦沉積，引起后續(xù)黑線問題。

（3）除氣階段的關(guān)鍵控制點(diǎn)：除氣箱不僅有除氣功能，同時(shí)在除氣的過程中，通過泡沫浮選的原理，可以將鋁液中的微小夾雜物除去。在此階段，除氣箱的清理維護(hù)、除氣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、氬氣流量匹配以及生產(chǎn)前對(duì)除氣箱內(nèi)襯的清洗等都非常重要。

（4）過濾階段的關(guān)鍵控制點(diǎn)：過濾是鋁鑄造過程中的最后一道除渣，應(yīng)重點(diǎn)做好過濾箱的清理、維護(hù)、過濾板的入廠檢驗(yàn)（外觀及壓力試驗(yàn)等）等。應(yīng)注意過濾板的等級(jí)要求，不是過濾板的等級(jí)越高，過濾效果就越好，需要結(jié)合過濾板的最佳鑄造流量進(jìn)行匹配，否則會(huì)出現(xiàn)過濾板等級(jí)越高，反而產(chǎn)品質(zhì)量越差。此外，過濾板的安裝密封性能，以及鑄造過程中過濾板是否開裂、上浮、傾斜等使用異常情況也很重要，應(yīng)密切關(guān)注，及時(shí)處理。

（5）鑄造階段的關(guān)鍵控制點(diǎn)：鑄造階段是鋁液成型階段，也是最容易出現(xiàn)問題的階段。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注平臺(tái)及結(jié)晶器的清潔維護(hù)，其清理質(zhì)量決定鑄棒頭部質(zhì)量。鑄造過程中的溫度控制、流量控制、液位差控制、雜物引入等都將影響到最終產(chǎn)品質(zhì)量。因此，應(yīng)當(dāng)保持合理的鑄造溫度，保證鋁液不凝盤、不拉漏等，鑄造流量應(yīng)與過濾板尺寸及等級(jí)匹配。在鑄造過程中，應(yīng)密切關(guān)注液位差的波動(dòng)情況，保持較低的液位差有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（6）均質(zhì)階段的關(guān)鍵控制點(diǎn)：鐵是鋁合金中的主要雜質(zhì)元素，F(xiàn)e在鋁中的存在形態(tài)有兩種，一種是針狀（或稱片狀）結(jié)構(gòu)的β-AlFeSi，一種為球狀結(jié)構(gòu)的α-AlFeSi，針狀結(jié)構(gòu)的β相要比球狀結(jié)構(gòu)α相破壞性大的多[2]。β相可使鋁型材表面粗糙、機(jī)械性能、抗蝕性能變差，擠壓過程中被拉長(zhǎng)，形成黑線問題。在均質(zhì)過程中，β-AlFeSi會(huì)轉(zhuǎn)化為α-AlFeSi，因此，良好的均質(zhì)效果可降低黑線比例。每批次必須將AlFeSi相的轉(zhuǎn)化率控制在90%以上（在不過燒的情況下，必須保證足夠的均質(zhì)溫度和保溫時(shí)間，6063合金一般均質(zhì)溫度達(dá)要到570℃，保溫時(shí)間4h以上），才能保證后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

黑線的產(chǎn)生是一個(gè)系統(tǒng)問題，可以肯定的是，鑄棒的冶金質(zhì)量好壞，是解決黑線問題的關(guān)鍵。如何保證鑄棒冶金質(zhì)量，那就必須保證鋁熔體質(zhì)量和均質(zhì)效果，并防止過程污染。熔體質(zhì)量的提高和防止過程污染，需要從熔化到最終鑄造每個(gè)過程的精細(xì)化管理。均質(zhì)效果必須通過執(zhí)行合理的均質(zhì)工藝才能達(dá)到。本文通過對(duì)熔鑄全過程的梳理研究，總結(jié)出30個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并通過建立每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的檢查標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施三級(jí)檢查，保證措施落實(shí)到位。鋁排產(chǎn)品黑線不良率持續(xù)保持在1%以下，有效降低了產(chǎn)品的報(bào)廢率，得到客戶的一致好評(píng)。