銀合金帶材中條帶狀缺陷的形成原因分析與消除

賈志強(qiáng)，陳昊，孟志軍

1.西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司 陜西西安 710201

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1 序言

銀具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，與此同時(shí)面心立方的晶體結(jié)構(gòu)使其具有了優(yōu)良的延展性和可加工性[1-3]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀表、電氣電子、醫(yī)療及化工等領(lǐng)域。為了提升材料的性能，降低材料成本，通常在銀中添加微量合金化元素（如Mg、Cu、Ni、Pd、Cd、稀土元素等），其中添加Mg、Ni可增強(qiáng)材料的強(qiáng)度；添加Cu可提高材料強(qiáng)度，降低其熔點(diǎn)，并改善其可鑄性；添加Pd可增強(qiáng)其抗硫化性能；添加Cd可改善其電接觸性能。

憑借金屬中最高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性，以及良好的加工性和穩(wěn)定的接觸電阻，銀及其合金被用于制作特種用途開(kāi)關(guān)、繼電器，以及儀器儀表中的電接觸材料，其性能及穩(wěn)定性直接決定系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性及壽命[4]。觸電材料對(duì)質(zhì)量要求非常高，因此銀合金表面及內(nèi)部不能出現(xiàn)任何明顯影響材料性能的缺陷。本文針對(duì)銀合金帶材中常見(jiàn)條帶狀缺陷的形貌、成分進(jìn)行了分析，并結(jié)合生產(chǎn)流程對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了討論，提出并實(shí)施工藝改進(jìn)試驗(yàn)，以期在同類(lèi)型銀合金帶材生產(chǎn)中杜絕此類(lèi)缺陷的出現(xiàn)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。

2 試驗(yàn)

在實(shí)際生產(chǎn)中純Ag、Ag-Mg、Ag-Mg-Ni等合金帶材均采用類(lèi)似生產(chǎn)工藝進(jìn)行加工，因此均會(huì)出現(xiàn)上述條帶狀缺陷。本研究以Ag-Mg-Ni合金為研究對(duì)象，介紹此類(lèi)缺陷的形成原因和消除方法。

原料鑄錠通過(guò)提純處理、感應(yīng)熔煉、鍛造開(kāi)坯及軋制等關(guān)鍵工序最終生產(chǎn)成合金帶材。銀合金帶材中出現(xiàn)的常見(jiàn)條帶狀缺陷多為毫米級(jí)，因此首先對(duì)缺陷進(jìn)行肉眼觀察，分析其宏觀規(guī)律。隨后采用化學(xué)成分分析（ICP-MS）和金相組織觀察（OM）方法，判斷和確定該缺陷對(duì)材料化學(xué)成分的影響及其存在位置與分布規(guī)律。再采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）等手段，分別對(duì)其微觀組織特征和化學(xué)成分進(jìn)行分析，隨后結(jié)合其生產(chǎn)加工過(guò)程對(duì)其形成原因進(jìn)行反向追溯。在確定其形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，在確保不影響現(xiàn)有性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)消除該缺陷的目的。

3 結(jié)果與討論

圖1所示為銀合金帶材中帶狀缺陷的宏觀形貌。從圖1可看出，此類(lèi)缺陷由多個(gè)長(zhǎng)約1.5mm、寬約0.5mm的“米粒”狀缺陷構(gòu)成，沿帶材的軋制方向（RD方向）規(guī)律分布。

圖1 銀合金中帶狀缺陷的宏觀形貌

從帶狀缺陷的分布特征可知，此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生與合金帶材的軋制過(guò)程密切相關(guān)，該缺陷軋制前可能就以塊狀存在于帶材中，并隨軋制過(guò)程的進(jìn)行逐漸被拉長(zhǎng)，最終表現(xiàn)出規(guī)律性的帶狀分布特征。但該缺陷是否由材料中的雜質(zhì)元素引起，以及是否僅存在于帶材表面，仍需進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)和驗(yàn)證。

為了判斷該缺陷對(duì)材料化學(xué)成分的影響及其存在位置與分布規(guī)律，在缺陷附近部位分別取化學(xué)成分和金相試樣，化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，金相組織如圖2所示。從表1可看出，材料化學(xué)成分滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，未檢測(cè)出其他雜質(zhì)元素。從圖2可看出，帶材橫截面組織基本為均勻、細(xì)小的等軸晶粒，材料心部存在少量熱處理過(guò)程中未被內(nèi)氧化的粗大晶粒和部分退火孿晶。從材料微觀組織中未觀察到帶狀分布的缺陷。上述檢測(cè)表明，本文所討論的帶狀缺陷在材料中存量很低，且分布較為聚集，可能僅存在于材料表面。因此，這種規(guī)律性分布缺陷的產(chǎn)生基本排除是在原材料中混入、熔煉過(guò)程中引入的可能性，極有可能是在帶材加工生產(chǎn)過(guò)程中引入的。

表1 銀合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 銀合金帶材微觀組織

由于帶狀缺陷呈規(guī)律性分布，因此可能與軋輥上的異物或缺陷呈規(guī)律性分布有關(guān)，在軋制過(guò)程中，軋輥上的異物或缺陷印入材料后，也可能在帶材中造成此類(lèi)規(guī)律性分布的缺陷（類(lèi)似于輥?。?。為此，對(duì)軋機(jī)上可能與銀合金帶材接觸的部位進(jìn)行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)沾染有此類(lèi)缺陷，同時(shí)在帶材其他部位也未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)規(guī)律性缺陷，因此該類(lèi)帶狀缺陷的產(chǎn)生是由軋輥上規(guī)律分布的異物印入帶材的可能性基本排除。

為了研究帶狀缺陷的微觀形貌和化學(xué)成分，分別對(duì)缺陷部位進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）觀察和能譜（EDS）分析，對(duì)缺陷處微區(qū)的微觀組織特征和化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖3可看出，缺陷區(qū)域較其他正常區(qū)域的平整度明顯較差（見(jiàn)圖3a），材料表面呈現(xiàn)出凹凸不平的特征，且觀察到存在明顯的異物（見(jiàn)圖3b），異物尺寸為10～15μm。從異物與帶材間的關(guān)系可看出，異物深度嵌入合金帶材表面，也從另外一個(gè)角度證明此類(lèi)異物是在成品軋制前引入的。圖4所示為缺陷部位的能譜分析結(jié)果。從圖4可發(fā)現(xiàn)，嵌入異物周?chē)牟黄秸麉^(qū)域雖然形貌特征較周邊正常區(qū)域有較大差異，但其化學(xué)成分與合金成分一致，僅存在Ag、Mg、Ni等合金主成分元素。而嵌入顆粒狀異物只包含Al、O元素，結(jié)合其形貌特征推斷其為Al2O3顆粒。由此可以推斷，肉眼可見(jiàn)的規(guī)律性分布的帶狀缺陷是由Al2O3顆粒嵌入后造成的缺陷影響區(qū)引起的。

圖3 缺陷部位的微觀組織形貌

圖4 缺陷部位能譜分析

要消除帶狀缺陷就必須確認(rèn)異物的引入過(guò)程。通過(guò)對(duì)銀合金帶材全生產(chǎn)過(guò)程跟蹤，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，僅有成品軋制前的修磨過(guò)程可能會(huì)引入Al2O3顆粒，這是因?yàn)樾弈ビ脛傆裆凹堉饕煞譃锳l2O3[5]。結(jié)合帶材生產(chǎn)過(guò)程及缺陷處顆粒狀異物的化學(xué)成分，對(duì)帶狀缺陷的形成機(jī)理進(jìn)行分析和推斷，其形成機(jī)理如圖5所示。銀在熔煉過(guò)程中容易吸收一定量的氣體，此外其內(nèi)部也存在一定量的雜質(zhì)元素[6-8]。材料經(jīng)熔煉、開(kāi)坯處理等加工后，內(nèi)部的氣體和雜質(zhì)等缺陷會(huì)逐漸聚集、形核、長(zhǎng)大，并隨帶材厚度不斷降低，材料表面積急劇增加，越來(lái)越多的雜質(zhì)在帶材表面表現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖5a）。如任由此類(lèi)缺陷不斷出現(xiàn)和存在，將嚴(yán)重影響帶材表面質(zhì)量和成品率，甚至?xí)?dǎo)致帶材完全報(bào)廢。因此，在銀合金帶材生產(chǎn)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)材料表面出現(xiàn)了此類(lèi)缺陷，必須及時(shí)修磨干凈。為了消除修磨痕跡對(duì)后續(xù)軋制變形的影響，通常采用砂紙對(duì)修磨后帶材進(jìn)行打磨。正常情況下，因銀合金具有優(yōu)良的塑性和流動(dòng)性，通過(guò)軋制工藝的控制，經(jīng)砂紙打磨的修磨痕跡會(huì)在后續(xù)變形過(guò)程中消失。

圖5 銀合金中帶狀缺陷的形成機(jī)理

然而，當(dāng)修磨產(chǎn)生明顯的凹坑時(shí)（見(jiàn)圖5b），雖然去除了帶材表面的缺陷，但表面的凹坑會(huì)成為后續(xù)砂紙修磨過(guò)程中Al2O3顆粒的聚集位置，這是因?yàn)樾弈ミ^(guò)程中從砂紙上脫落的、較硬的Al2O3顆粒會(huì)很容易嵌入到較軟銀帶的凹坑處（見(jiàn)圖5c），且修磨后的帶材表面較為粗糙，即便對(duì)修磨后的帶材進(jìn)行了表面清潔處理，此類(lèi)嵌入的Al2O3顆粒也不容易被發(fā)現(xiàn)和去除，最終會(huì)被帶入下一道次軋制過(guò)程。隨著軋制的不斷進(jìn)行，帶材長(zhǎng)度不斷增加，聚集了Al2O3顆粒的凹坑也在被不斷拉長(zhǎng)，最終因嵌入顆粒的影響，產(chǎn)生了變形影響區(qū)，而形成了肉眼可見(jiàn)的、規(guī)律分布的帶狀缺陷（見(jiàn)圖5d）。

要從根本上消除此類(lèi)缺陷，就需要減少Al2O3顆粒的“形核”位置和可能，這就要求修磨后產(chǎn)生的痕跡周?chē)^(guò)渡圓滑。此外，如不考慮貴金屬的損耗，可采用帶材修磨設(shè)備對(duì)整條帶材表面進(jìn)行整體表面修磨和清洗。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用上述方法對(duì)帶材的修磨工藝進(jìn)行優(yōu)化后，銀合金帶材中此類(lèi)帶狀缺陷再未出現(xiàn)過(guò)。需要指出的是，由于僅對(duì)帶材進(jìn)行表面處理，無(wú)論采用何種處理方法均不會(huì)引起材料微觀組織、力學(xué)性能的變化。將上述改進(jìn)工藝推廣至純Ag、Ag-Mg等銀合金帶材的生產(chǎn)中，均取得了明顯的消除效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用化學(xué)成分分析（ICP-MS）、金相（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜分析（EDS）等手段，對(duì)銀合金生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的規(guī)律性分布帶狀缺陷的化學(xué)成分、形貌特征及形成機(jī)理進(jìn)行了分析。研究表明，帶狀缺陷僅存在于材料表面，是由于帶材修磨過(guò)程中嵌入Al2O3顆粒被拉長(zhǎng)引起的。在缺陷形成原因確定的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的工藝改進(jìn)方案，并按照新工藝進(jìn)行試生產(chǎn)。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，所采用工藝改進(jìn)方案合理、有效，改進(jìn)后在銀合金帶材及同類(lèi)型產(chǎn)品中帶狀缺陷已完全消除。