8021鋁合金箔坯料含硅異物產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

湯波楷，章國華，侯志文，王繹潭，陳培顯

(浙江永杰鋁業(yè)有限公司，浙江 杭州 311222)

鋁箔具有質(zhì)輕、無毒無味、耐腐蝕、密閉、包覆性好等優(yōu)點，在人們?nèi)粘Ｉ钪幸约皣窠?jīng)濟的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為不可缺少的材料[1]。鋁箔的用量不斷增加，國內(nèi)鋁箔加工行業(yè)得到迅速發(fā)展。針孔是衡量鋁箔質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，如何控制針孔尺寸和數(shù)量也是目前鋁箔加工行業(yè)的難題之一。其中熱軋8021鋁合金箔廣泛應(yīng)用于電動工具、食品和醫(yī)藥包裝等傳統(tǒng)領(lǐng)域，以及鋰電池、3C消費電子產(chǎn)品、新能源汽車領(lǐng)域。

鋁箔坯料質(zhì)量對鋁箔最終成品質(zhì)量影響較大，尤其表現(xiàn)在針孔缺陷方面。生產(chǎn)鋁箔坯料的鑄錠冶金質(zhì)量，如物理雜質(zhì)(氫含量、夾渣物)、堿金屬夾渣、氧化物及金屬鹽類化合物夾渣等，以及在熱軋、冷軋工序金屬及非金屬壓入，乳液和軋制油過濾精度，油污、粘鋁，劃傷，化學(xué)成分設(shè)計不合理和熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致粗大第二相化合物，鋁粉、切邊毛刺等缺陷，都將隨著產(chǎn)品厚度減小而逐漸暴露出來，均會使鋁箔成品產(chǎn)生嚴重針孔甚至孔洞，導(dǎo)致最終成品不合格報廢。本文作者針對鋁箔坯料中兩種含硅異物導(dǎo)致的鋁箔針孔進行深入分析，提出預(yù)防措施。

1 8021鋁合金箔坯料含硅異物產(chǎn)生原因

厚度為0.04 mm的8021鋁合金箔的化學(xué)成分見表1。鋁箔生產(chǎn)工藝流程為：熔鑄-鑄錠鋸切-銑面-加熱-熱軋-冷軋-中間退火-冷軋-箔軋。

表1 8021鋁合金箔的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

取含有針孔的箔材樣品進行金相顯微鏡及掃描電鏡觀察微觀形貌，EDS能譜成分分析。

1.1 A針孔樣品異物原因分析

圖1為A針孔樣品SEM形貌圖片?？梢悦黠@看出，針孔與基體本體邊界呈現(xiàn)無規(guī)則形狀，異物在后續(xù)軋制加工中部分脫落，因此可以定性判定此異物為熔鑄工序熔體中帶入，非后續(xù)軋制工序壓入。必須再結(jié)合EDS能譜成分分析確定具體為何種異物。

圖1 A針孔樣品掃描電鏡照片

表2、表3分別為A針孔樣品異物和硅酸鋁纖維的EDS能譜成分分析結(jié)果。從硅酸鋁纖維與A針孔樣品EDS成分分析對比，兩者基本吻合。綜合上述分析可以判斷A針孔為鋁箔坯料熔鑄工序硅酸鋁纖維帶入熔體中導(dǎo)致。

表2 硅酸鋁纖維EDS成分分析

表3 A針孔樣品EDS成分分析

硅酸鋁纖維是一種輕質(zhì)的纖維狀耐火耐溫材料，主要組成為w(SiO2)/w(Al2O3)=1～1.2，具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱率低、比熱容小、耐機械震動、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，尤其是耐高溫性能優(yōu)越，能耐1 000 ℃～1 500 ℃的高溫、抗高溫氧化、高溫強度高、抗高溫蠕變等[2]。因此在鋁合金熔鑄工序應(yīng)用非常普遍，是生產(chǎn)中不可或缺的輔助材料，暫未發(fā)現(xiàn)可以替代硅酸鋁纖維且性價比高的材料。

采用SEM對硅酸鋁纖維的微觀形貌進行觀察，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)硅酸鋁纖維呈長條、圓柱形，表面非常光滑。纖維直徑一般為1 μm～10 μm，長度為5 μm～25 μm?，F(xiàn)有的深床過濾和板式過濾設(shè)備精度較難將5 μm以下直徑的硅酸鋁纖維完全過濾掉，如果使用不當(dāng)極易造成硅酸鋁纖維帶入熔體中，造成夾渣，軋制鋁箔形成針孔。

圖2 硅酸鋁纖維掃描電鏡照片

1.2 B針孔樣品異物原因分析

圖3為B針孔樣品SEM形貌圖片。從形貌可以明顯看出，其針孔與基體本體邊界呈現(xiàn)較光滑界面，未見不規(guī)則牽連形貌?？梢远ㄐ耘卸ù水愇锊皇侨坭T工序熔體中帶入，而是在后道軋制加工工序壓入的。

圖3 B針孔樣品掃描電鏡照片

表4、表5分別為硅藻土和B針孔樣品異物的EDS能譜成分分析結(jié)果。從硅藻土與B針孔樣品成分分析對比，兩者基本吻合。綜上可分析判斷B針孔樣品為箔坯料在冷軋加工過程中，因軋制油中滲入硅藻土等助濾劑，導(dǎo)致非金屬壓入。

表4 硅藻土EDS成分分析

表5 B針孔樣品EDS成分分析

冷軋軋制油過濾系統(tǒng)采用板式過濾。其過濾原理是將過濾助濾劑與污染的軋制油混合后，通過管路預(yù)涂在過濾介質(zhì)上，形成厚度約3 mm～10 mm的濾餅，臟的軋制油通過時，鋁屑及臟物會被過濾助濾劑吸附，并阻留在過濾助濾劑中，從而達到凈化軋制油的目的[3]。圖4為未使用過的硅藻土SEM微觀形貌圖?？梢钥吹焦柙逋辆哂卸嗫仔?、較低的密度、較大的比表面積，能有效將0.5 μm以上顆粒物從軋制油中過濾掉。硅藻土主要化學(xué)成分是SiO2?；钚园淄潦且环N極性物質(zhì)，有很強的吸附能力。

圖4 硅藻土掃描電鏡照片

正常情況下，冷軋軋制油經(jīng)板式過濾器過濾之后，通過軋制油主管路進入冷軋機噴淋系統(tǒng)，但是仍存在個別尺寸較大的硅藻土和活性白土助濾劑未經(jīng)板式過濾器攔截，直接進入噴淋系統(tǒng)。因此未被板式過濾器攔截的助濾劑從軋制油噴桿梁噴嘴進入輥縫，造成非金屬壓入，鋁箔形成針孔缺陷。

2 改善預(yù)防措施及其效果評價

針對熔鑄各工序硅酸鋁纖維氈的使用進行全面排查整改，主要使用部位有爐蓋密封、旋轉(zhuǎn)接環(huán)、流槽接口、除氣箱及過濾裝置入出口、排鋁流眼、漏鋁時堵漏等。措施如下。

1)保溫爐出口至分配流槽禁止硅酸鋁纖維直接與鋁液接觸，保溫爐出口、除氣箱、過濾箱出入口等均取消硅酸鋁纖維使用，其他均用玻璃絲纖維包裹。鋁熔體對玻璃絲纖維不潤濕，表面張力很大，鋁液穿過玻璃絲纖維網(wǎng)孔比較困難，每爐次更換，可以隔絕鋁液直接與硅酸鋁纖維接觸。

2)除氣箱排鋁流眼整改，摒除硅酸鋁纖維氈封堵，采用堵套封堵。

3)鑄造工藝改進，通過冷卻水流量、鑄造速度及鑄造溫度等工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配，基本解決漏鋁問題，如發(fā)現(xiàn)漏鋁，嚴禁用硅酸鋁纖維堵漏，采用鋁板堵漏，規(guī)范操作。

4)排鋁斗塊、鋸切料等一級廢料中發(fā)現(xiàn)含有硅酸鋁纖維，嚴禁投料。經(jīng)處理后才允許投料。

針對冷軋軋制油中含有過濾助濾劑硅藻土進行排查，改進軋制油過濾工藝。措施如下。

1)采用國內(nèi)某廠生產(chǎn)的纖維素能有限地吸附軋制油中微小鋁粉，并快速產(chǎn)生絮凝，且其獨特的纖維結(jié)構(gòu)能有效攔截顆粒雜質(zhì)，系統(tǒng)內(nèi)穿濾的沉積物更少。

2)在預(yù)涂過程中，該纖維素為柔軟的長條圓柱形狀， 并能快速形成預(yù)涂層，可增加預(yù)涂層的纖維韌性和嵌著性，使預(yù)涂層的附著性、穩(wěn)定性發(fā)生顯著改善[4]。

3)該纖維素有相對于硅藻土更大的比表面積，能夠在單位流量內(nèi)吸附更多的雜質(zhì)，纖維素分布均勻，不會出現(xiàn)硅藻土聚集現(xiàn)象。硅藻土使用一段時間后“多孔”結(jié)構(gòu)堵塞，失去過濾能力，易導(dǎo)致助濾劑穿過過濾介質(zhì)進入軋制油管路。

4)該纖維素的投入使用，大大減少了白土+硅藻土傳統(tǒng)過濾助濾劑的使用。延長了過濾周期、減少了換紙時因操作不當(dāng)助濾劑進入軋制油系統(tǒng)中的風(fēng)險。

5)檢查過濾密封結(jié)合面，及時清理結(jié)合面上殘留的助濾劑，防止進入軋制油系統(tǒng)。

效果評價，圖5為6月～9月硅酸鋁纖維及助濾劑異物導(dǎo)致的針孔占比。6月為改善前鋁箔坯料含有硅酸鋁纖維以及冷軋軋制油助濾劑異物導(dǎo)致的鋁箔針孔占比，7月～9月為改善后占比情況。熔鑄工序通過規(guī)范硅酸鋁纖維的使用，改進生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝方法，使得因鋁箔坯料硅酸鋁纖維導(dǎo)致的鋁箔針孔減少了90%。冷軋工序通過改善冷軋軋制油板式過濾系統(tǒng)的過濾工藝及操作規(guī)范，軋制油清潔度提高了，透光率顯著提升，改善后未發(fā)現(xiàn)冷軋軋制油過濾助濾劑異物導(dǎo)致的針孔。

圖5 硅酸鋁纖維異物導(dǎo)致針孔占比變化曲線

3 結(jié)束語

采用定性定量研究方法，對8021鋁合金箔坯料含硅異物進行分析，確定了具體原因，采取了改善和預(yù)防措施，效果顯著。坯料中硅酸鋁纖維異物及冷軋軋制油過濾助濾劑異物只是導(dǎo)致鋁箔針孔的一部分原因。鋁箔坯料質(zhì)量對鋁箔質(zhì)量影響較大，尤其是熔鑄工序鋁熔體質(zhì)量以及后道軋制工序非金屬壓入等質(zhì)量缺陷，需要重點關(guān)注。深入結(jié)合生產(chǎn)實際舉一反三進行預(yù)防，提供優(yōu)質(zhì)的鋁箔坯料，提高鋁箔質(zhì)量及成品率。