鋁合金卷材黑條缺陷的成因及消除措施

鄭忱奕，覃秋慧

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

鋁合金卷材具有密度低、耐腐蝕、易加工、尺寸精度高、板形良好、組織性能均勻等多種優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、電子產(chǎn)品、室內(nèi)外裝修、醫(yī)療藥物包裝等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。然而，對(duì)于汽車(chē)外板、平板電腦外殼等對(duì)表面質(zhì)量要求極高的產(chǎn)品，卷材原料的表面質(zhì)量會(huì)極大地影響成品表面質(zhì)量，例如，在噴漆、陽(yáng)極氧化等工序中，原材料的表面缺陷會(huì)在成品表面愈加明顯[2-3]。因此，保證鋁合金卷材產(chǎn)品擁有良好的表面質(zhì)量至關(guān)重要。

黑條是一種在鋁合金卷材表面常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，其主要特征是缺陷位置相對(duì)于正常卷材表面在視覺(jué)上呈黑色，且具有條紋狀形貌，條紋的長(zhǎng)度方向基本平行于軋制方向[4]。

對(duì)于黑條缺陷產(chǎn)生原因，王文霞[5]等通過(guò)對(duì)比不同的鋁合金冷軋潤(rùn)滑條件，發(fā)現(xiàn)相比于純油潤(rùn)滑，在乳液潤(rùn)滑(潤(rùn)滑不足)狀態(tài)下更容易產(chǎn)生黑條缺陷，并發(fā)現(xiàn)在黑條處發(fā)生了氧化、鋁粉富集。李嚴(yán)法[6]等提出黑條的產(chǎn)生是由于軋制過(guò)程中局部油膜的潤(rùn)滑能力下降導(dǎo)致鋁粉壓入而形成，并提出了多種乳液成分調(diào)整方案以提高潤(rùn)滑能力。Yan Li[7]等，對(duì)黑條區(qū)域的粗糙度以及化學(xué)成分進(jìn)行分析，提出過(guò)高的軋制速度將導(dǎo)致油膜無(wú)法在有限的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展開(kāi)，從而出現(xiàn)部分區(qū)域潤(rùn)滑不足而導(dǎo)致黑條形成。Takahashi Toru[8]等認(rèn)為黑條是由于軋輥表面發(fā)生粘鋁或油膜破裂導(dǎo)致軋制過(guò)程中卷材局部受力增加，且由于基體與第二相之間存在變形抗力的差異，在變形后的基體與第二相之間產(chǎn)生了間隙，這種間隙在后續(xù)的軋制過(guò)程中持續(xù)被拉長(zhǎng)，同時(shí)有鋁粉被壓入間隙中從而產(chǎn)生黑條。陳國(guó)生[9]，通過(guò)分析黑條的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)在熔鑄過(guò)程中，耐火材料進(jìn)入熔體可能會(huì)導(dǎo)致帶有夾渣的黑條缺陷形成，夾渣雜質(zhì)呈破碎狀，主要成分是Si、O、Al、C。胡冠奇[10]等，對(duì)電解鋁液鑄軋鋁板表面的黑條進(jìn)行成分分析，提出黑條是由于熔煉過(guò)程中鋁液扒渣不干凈，熔體過(guò)濾效果不佳，導(dǎo)致雜質(zhì)混入熔體中而產(chǎn)生黑條。

雖然已有不少學(xué)者對(duì)鋁合金卷材黑條缺陷的形成機(jī)制進(jìn)行了研究，但是鮮有文章對(duì)鋁合金卷材表面黑條缺陷的種類(lèi)以及形貌進(jìn)行分類(lèi)討論。本文作者主要針對(duì)鋁合金卷材軋制、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的黑條進(jìn)行討論，并對(duì)黑條缺陷種類(lèi)進(jìn)行了細(xì)分，提出相應(yīng)消除措施。

1 黑條缺陷的形貌及化學(xué)成分

鋁合金卷材的生產(chǎn)工藝流程：鑄造→均勻化熱處理→鑄錠銑面→預(yù)熱→熱粗軋→熱精軋→冷軋→中間退火→冷軋→固溶淬火(可熱處理強(qiáng)化鋁合金)→時(shí)效過(guò)程(可熱處理強(qiáng)化鋁合金)→精整→成品包裝。

在鋁合金卷材成品中取6016、5083、3003鋁合金的黑條缺陷樣品，使用光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)未清洗、清洗后(乙醇溶液超聲清洗)的黑條缺陷進(jìn)行觀察。使用SEM(ZEISS，EVO18)對(duì)未清洗的黑條缺陷進(jìn)行觀察，加速電壓為20 kV，工作距離9.5 mm，束流80 μA，并通過(guò)EDS(OXFORD INSTRUMENTS，INCAX-MAX20)分析黑條區(qū)域內(nèi)的化學(xué)成分。使用1000目SiC砂紙對(duì)黑條缺陷位置進(jìn)行打磨，當(dāng)打磨至黑條消失時(shí)，使用千分尺測(cè)量打磨前后缺陷位置厚度變化，得出黑條缺陷深度。

1.1 油污型黑條形貌與化學(xué)成分

圖1為6016-T4鋁合金卷材上出現(xiàn)的油污型黑條的形貌。由圖1a可見(jiàn)，在約100 mm×100 mm的卷材范圍內(nèi)有1～2處黑條，黑條缺陷一般單獨(dú)出現(xiàn)，長(zhǎng)度為3 mm～15 mm，寬度為100 μm～200 μm。通過(guò)OM觀察到的油污型黑條在未清洗狀態(tài)下呈棕色。通過(guò)OM觀察到的油污型黑條經(jīng)過(guò)乙醇溶液超聲清洗后棕色污漬消失，顯現(xiàn)出與基體顏色相近的條狀損傷。使用1000目SiC砂紙對(duì)黑條位置進(jìn)行打磨，得出油污型黑條的深度為5 μm～9 μm。

圖1 油污型黑條形貌Fig.1 Shape of oil-contaminated black streak

表1為圖1d中各點(diǎn)經(jīng)EDS分析后的化學(xué)成分。油污型黑條區(qū)域內(nèi)主要存在O、C含量較高的點(diǎn)(如B點(diǎn))。O、C主要是由于軋制過(guò)程使用的潤(rùn)滑油、乳液殘留而產(chǎn)生。Fe、Cr含量較高的點(diǎn)(如C點(diǎn))在黑條缺陷位置的橫截面上并未發(fā)現(xiàn)有粗大的第二相或其他非正常元素富集，因此Fe、Cr的來(lái)源應(yīng)是軋制過(guò)程中鋼制軋輥發(fā)生磨損后生成的軋輥微粒。而相對(duì)于黑條位置，基體(如A點(diǎn))并不存在O、C、Fe、Cr元素的富集。

表1 圖1d中各點(diǎn)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of points in Fig.1(wt/%)

1.2 微裂紋型黑條形貌與化學(xué)成分

圖2為5083-O鋁合金卷材上出現(xiàn)的微裂紋型黑條的形貌。在約100 mm×100 mm卷材范圍內(nèi)，肉眼有30～40處黑條，黑條一般均勻地分布于整個(gè)卷材表面，黑條長(zhǎng)度為2 mm～10 mm，寬度為100 μm～200 μm。此外，隨著卷材厚度的降低，微裂紋型黑條有愈發(fā)明顯的趨勢(shì)。在未清洗狀態(tài)下，通過(guò)OM觀察微裂紋型黑條與基體的相同，并不存在明顯的發(fā)黑現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)乙醇溶液超聲清洗后，微裂紋位置相對(duì)于清洗前無(wú)明顯變化，且肉眼觀察清洗后的黑條位置仍然呈現(xiàn)黑色。使用1000目SiC砂紙對(duì)黑條位置進(jìn)行打磨，得出微裂紋型黑條的深度為1 μm～2 μm。

表2為圖2d中各個(gè)點(diǎn)經(jīng)EDS分析后的化學(xué)成分。微裂紋型黑條處(E點(diǎn))僅O含量相對(duì)于基體(D點(diǎn))有所升高，其余元素含量與基體相近，說(shuō)明黑條位置發(fā)生一定程度的氧化。此外，在黑條缺陷位置的橫截面上未發(fā)現(xiàn)有粗大的第二相或其他非正常元素富集。

表2 圖2d中各點(diǎn)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 2 Chemical composition of points in Fig.2d(wt/%)

1.3 微動(dòng)磨損型黑條形貌與化學(xué)成分

圖3為3003-H24鋁合金卷材上出現(xiàn)的微動(dòng)磨損型黑條的形貌。在約100 mm×100 mm的卷材范圍內(nèi)，肉眼觀察有20～30處黑條，微動(dòng)磨損型黑條一般分布于卷材邊部位置，而且在卷材的上下表面對(duì)稱(chēng)分布，黑條長(zhǎng)度為2 mm～15 mm，寬度為0.5 mm～2 mm。在未清洗情況下，通過(guò)OM觀察微動(dòng)磨損型黑條，與上述兩種其他類(lèi)型的黑條缺陷不同，微動(dòng)磨損型黑條并不平行于軋制紋路。經(jīng)過(guò)乙醇溶液超聲清洗后，相對(duì)于清洗前無(wú)明顯變化，仍然呈黑色，肉眼觀察清洗后的黑條同樣呈黑色。使用1000目SiC砂紙對(duì)黑條位置進(jìn)行打磨，得出微動(dòng)磨損型黑條的深度為3 μm～5 μm。

表3為圖3d中各個(gè)點(diǎn)經(jīng)EDS分析后的化學(xué)成分。微動(dòng)磨損型黑條范圍內(nèi)O含量相對(duì)于基體有明顯升高，G點(diǎn)的O元素含量已經(jīng)達(dá)到39.67%，說(shuō)明該類(lèi)黑條位置發(fā)生了嚴(yán)重的氧化，表面生成了黑色的氧化物粉末。此外，在黑條缺陷位置的橫截面上未發(fā)現(xiàn)粗大的第二相或其他非正常元素富集。

表3 圖3d中各點(diǎn)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Chemical composition of points in Fig.3d(wt/%)

圖3 微動(dòng)磨損型黑條形貌Fig.3 Shape of fretting-wear black streak

2 黑條缺陷產(chǎn)生的原因

2.1 油污型黑條的成因

油污型黑條一般單獨(dú)出現(xiàn)在卷材表面，且該類(lèi)黑條位置存在著深度較大的條紋狀損傷，損傷位置由于殘留的油污發(fā)生燒結(jié)而發(fā)黑。在卷材的生產(chǎn)過(guò)程中，若卷曲、軋制過(guò)程工況不良，很容易在卷材表面產(chǎn)生條紋狀損傷，其主要原因：

1)卷材在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生了粘傷。粘傷是一種由于卷材層與層之間緊密接觸的位置發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的條紋狀損傷缺陷。開(kāi)卷張力大于卷曲張力導(dǎo)致卷材層間繃緊，發(fā)生劇烈摩擦；卷材板形差，部分位置凸度較大；鋼帶未打緊，導(dǎo)致卷材層間松動(dòng)而引起粘傷。

2)乳液或潤(rùn)滑油灰分中存在硬質(zhì)顆粒(例如軋輥磨損后的微粒)。由于鋁材相對(duì)較軟(特別是在熱軋過(guò)程中)，乳液、潤(rùn)滑油中的硬質(zhì)顆粒會(huì)在軋制過(guò)程被壓入鋁材表面，并在后續(xù)的軋制過(guò)程中被拉長(zhǎng)，從而形成條紋狀損傷。

3)軋輥表面存在粘鋁。粘鋁是一種在軋輥表面粘附鋁層的現(xiàn)象，由于鋁合金易形成脆硬的氧化膜，在軋制過(guò)程中，若局部潤(rùn)滑較差導(dǎo)致氧化膜破裂，則基體金屬會(huì)直接與軋輥接觸，又因?yàn)樵揭坠倘艿慕饘僭饺菀装l(fā)生粘結(jié)[11]，在鋁合金卷材的軋制溫度下(熱精軋溫度50 ℃～350 ℃)，鋁在鐵中的固溶度達(dá)到10%以上[12]，易發(fā)生粘鋁現(xiàn)象。在粘鋁位置發(fā)生的是同類(lèi)金屬間的摩擦，摩擦因數(shù)增大[13]。而附著在軋輥上的粘鋁常為條狀形貌，從而產(chǎn)生了條紋狀形貌的損傷。

圖4為導(dǎo)致油污型黑條產(chǎn)生的示意圖。

圖4 油污型黑條形成的示意圖Fig.4 Schematic illustration of formation of oil-contaminated black streak

2.2 微裂紋型黑條的成因

微裂紋型黑條一般均勻地分布于整個(gè)卷材表面，且黑條位置微裂紋深度較淺，說(shuō)明該類(lèi)黑條不是由于卷材表面受損而導(dǎo)致，而是與接觸卷材整個(gè)表面的軋輥、潤(rùn)滑劑有關(guān)。在軋制過(guò)程中，如果工件處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，則容易使軋輥的表面形貌被復(fù)印到鋁材表面[14]。

以卷材的精軋過(guò)程為例，圖5為精軋軋輥表面及邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑條件下的精軋卷材表面形貌。其中精軋軋輥表面存在條紋狀形貌，這類(lèi)條紋狀形貌是由于軋輥磨削過(guò)程中砂輪走刀所致。在邊界潤(rùn)滑條件下(精軋過(guò)程中部分乳液噴嘴處于關(guān)閉狀態(tài)，潤(rùn)滑不足)，只有乳液添加劑產(chǎn)生的邊界潤(rùn)滑膜在鋁材與軋輥之間起分離作用，且油膜厚度較小，軋輥的表面形貌極易被復(fù)印到卷材上，因此卷材表面也存在條紋狀印跡。在混合潤(rùn)滑條件下(介于邊界潤(rùn)滑與流體潤(rùn)滑狀態(tài)之間)卷材表面條紋狀印跡變淺。在流體潤(rùn)滑條件下(精軋過(guò)程中所有噴嘴處于打開(kāi)狀態(tài)，潤(rùn)滑良好)，由于油膜厚度的增加，工件與軋輥表面被分離開(kāi)，摩擦因數(shù)降低，此時(shí)軋輥表面形貌不會(huì)被復(fù)印到卷材表面。因此，當(dāng)潤(rùn)滑嚴(yán)重不足時(shí)，軋輥復(fù)印到軋件表面的條紋狀會(huì)愈加明顯，軋件越薄，越易形成微裂紋。

圖5 精軋過(guò)程軋輥及卷材表面OM觀察形貌Fig.5 OM morphologies of the roll and coil surface in the finishing mill process

2.3 微動(dòng)磨損型黑條的成因

微動(dòng)磨損型黑條在OM下觀察是不平行于軋制紋路(圖3)，因此該類(lèi)黑條應(yīng)是在非軋制工序即吊運(yùn)、運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的。此外，黑條位置處的氧含量要遠(yuǎn)高于正常位置的，且發(fā)生了一定深度的磨損，這與微動(dòng)磨損的特征相吻合。微動(dòng)磨損過(guò)程的如圖6所示[16]。其形成過(guò)程包括：在金屬接觸區(qū)之間積存有氧化磨屑；金屬接觸區(qū)因震動(dòng)等原因發(fā)生磨損，形成小平臺(tái)；氧化磨屑因震動(dòng)進(jìn)入其他區(qū)域，震動(dòng)導(dǎo)致微動(dòng)磨損面積增大。

圖6 微動(dòng)磨損形成的示意圖Fig.6 Schematic illustration of formation of fretting-wear

圖7為鋁合金卷材的冷卻與轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程示意圖。在卷材冷卻過(guò)程中，邊部首先冷卻發(fā)生收縮，而卷材中部仍然處于熱膨脹狀態(tài)，導(dǎo)致在卷材收縮與膨脹的交界位置，層與層之間的接觸緊密。而在卷材的吊運(yùn)過(guò)程中，大多數(shù)廠家使用如圖7b所示的卷材吊具，導(dǎo)致卷材邊部受力集中，更易發(fā)生磨損。因此微動(dòng)磨損型黑條一般分布于卷材邊部位置。

圖7 鋁卷的冷卻和吊運(yùn)過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic illustration of cooling and transit process of aluminum coil

3 消除黑條缺陷的措施

3.1 消除油污型黑條缺陷的措施

對(duì)于油污型黑條缺陷，應(yīng)盡量防止在軋制、卷曲過(guò)程中發(fā)生粘傷；保持乳液、潤(rùn)滑油清潔，防止其中混入硬質(zhì)顆粒；軋制過(guò)程中保證刷輥正常工作，并在軋制一定數(shù)量卷材以后，對(duì)軋輥表面進(jìn)行清理，防止軋輥表面粘鋁。具體措施：匹配上下工序卷曲張力，保證開(kāi)卷張力小于卷曲張力；控制板形保證凸度、楔度良好，以防止粘傷的發(fā)生；加強(qiáng)乳液、潤(rùn)滑油撇油或增加板式過(guò)濾器等裝置，保證乳液、潤(rùn)滑油的清潔；調(diào)整好刷輥與工作輥之間的間隙，保證刷輥正常工作；確定合適的換輥周期。

3.2 消除微裂紋型黑條缺陷的措施

對(duì)于微裂紋型黑條缺陷，應(yīng)盡量避免在軋制過(guò)程中發(fā)生局部潤(rùn)滑不足。具體措施：對(duì)軋機(jī)的乳液、潤(rùn)滑油噴嘴進(jìn)行定期維護(hù)，防止噴嘴發(fā)生不噴或常噴問(wèn)題；調(diào)整乳液成分，通過(guò)提高基礎(chǔ)油含量、游離態(tài)脂肪酸(U.A)含量等方式來(lái)提高乳液的潤(rùn)滑能力；由于微裂紋型黑條深度較淺，可以通過(guò)增加酸堿洗工序進(jìn)行消除。

3.3 消除微動(dòng)磨損型黑條缺陷的措施

對(duì)于微動(dòng)磨損型黑條缺陷，應(yīng)盡量避免卷材層間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)使氧化磨屑增多。具體措施：減少吊運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，盡量在一個(gè)工廠內(nèi)完成對(duì)卷材的所有加工；吊運(yùn)過(guò)程中在卷材芯軸位置安裝鋼套筒，防止吊具直接吊起卷材邊部，導(dǎo)致邊部受力集中；對(duì)卷材表面涂油，減少摩擦的發(fā)生，同時(shí)防止氧化；在卷材寬度余量充足的情況下，可以直接將邊部微動(dòng)磨損型黑條缺陷切除。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)分析鋁合金卷材實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生黑條缺陷的形貌、化學(xué)成分特征，將軋制、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生黑條細(xì)分為油污型、微裂紋型、微動(dòng)磨損型三種。

2)油污型黑條缺陷的產(chǎn)生是由于在軋制、卷曲過(guò)程中，卷材的表面產(chǎn)生了條狀損傷性缺陷，并且有乳液、潤(rùn)滑油殘留于損傷位置發(fā)生了燒結(jié)而發(fā)黑。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)避免卷材表面產(chǎn)生粘傷；保持乳液清潔；防止軋輥粘鋁來(lái)減少此類(lèi)黑條缺陷的產(chǎn)生。

3)微裂紋型黑條的產(chǎn)生是由于在軋制過(guò)程中潤(rùn)滑不足，導(dǎo)致軋輥表面的條紋狀形貌被復(fù)印到卷材表面而產(chǎn)生；同時(shí)，隨著鋁卷基體粗糙度的降低，基體處光的反射愈發(fā)的強(qiáng)烈，而微裂紋黑條位置存在一定程度的氧化，導(dǎo)致其失去金屬光澤，從而在視覺(jué)上發(fā)黑。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)避免潤(rùn)滑劑噴嘴發(fā)生異常；調(diào)整乳液成分，提高軋制過(guò)程中的潤(rùn)滑能力。

4)微動(dòng)磨損型黑條缺陷的產(chǎn)生是由于卷材的層間存在氧化磨屑，導(dǎo)致在后續(xù)的吊運(yùn)、運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生微動(dòng)磨損，生成大量的氧化物粉末，進(jìn)而導(dǎo)致缺陷位置發(fā)黑。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)避免過(guò)多地對(duì)卷材進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，并對(duì)卷材增加鋼套筒、涂油等措施，以防止微動(dòng)磨損的發(fā)生。