5052-H32鋁合金帶材雙邊發(fā)白色差缺陷成因分析及改善措施

章國(guó)華，湯波楷，陳登斌，陳祚啟，陳培顯

(浙江永杰鋁業(yè)有限公司，浙江 杭州 311222)

3C產(chǎn)品用5052鋁合金屬于熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度中等、塑性高、成型性能優(yōu)良、焊接性能良好、無(wú)磁性和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在手機(jī)、平板和筆記本電腦中[1]。

陽(yáng)極氧化是目前3C電子產(chǎn)品用鋁合金最常用的表面處理工藝。陽(yáng)極氧化后的金屬表面不僅能呈現(xiàn)出一種科技感十足的美觀效果，而且陽(yáng)極氧化膜本身還能起到增強(qiáng)鋁合金外殼表面硬度和提高其耐蝕性的作用[2]。鋁合金卷材經(jīng)陽(yáng)極氧化后，表面缺陷會(huì)更明顯，堪稱缺陷放大器，因此對(duì)鋁合金原材料的表面質(zhì)量提出非常高的要求。

1 試驗(yàn)材料及檢測(cè)方法

試驗(yàn)材料為厚度為0.25 mm的5052-H32鋁合金帶材，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。生產(chǎn)工藝流程：熔鑄-鋸切-銑面-加熱-熱軋-冷軋-清洗-中間退火-冷軋-清洗-穩(wěn)定化退火-精整拉矯。

表1 5052鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 5052 aluminum alloy chemical composition(wt/%)

采用電解拋光腐蝕儀拋光試樣，金相顯微鏡觀察晶粒度及第二相粒子，粗糙度儀檢測(cè)粗糙度，XRF熒光光譜分析微量元素，掃描電鏡觀察微觀形貌、進(jìn)行EDS能譜成分分析。

2 發(fā)白色差缺陷形貌

圖1為5052-H32鋁合金帶材發(fā)白色差宏觀形貌圖。發(fā)白色差在帶材兩邊部均有，色差界線較筆直；發(fā)白色差區(qū)域比正常區(qū)域的粗糙度大Ra0.03 μm～0.05 μm；發(fā)白色差在中間退火后不明顯，小加工率軋制后明顯顯現(xiàn)，繼續(xù)軋制其色差可消除；通過(guò)強(qiáng)堿堿洗5 min～10 min后發(fā)白色差消失。圖2及圖3分別為發(fā)白色差區(qū)域與正常區(qū)域晶粒度以及第二相粒子金相圖，可以看出無(wú)明顯差異。圖4為發(fā)白色差區(qū)域與正常區(qū)域分別在50倍及500倍掃描電鏡微觀形貌對(duì)比圖，可以看出發(fā)白色差區(qū)域“溝痕”更深，對(duì)光的反射異常，顯現(xiàn)發(fā)白色差。

圖1 發(fā)白色差宏觀形貌圖 Fig.1 Macroscopic morphology images of white aberration

圖4 正常及發(fā)白色差區(qū)域掃描電鏡微觀形貌圖 Fig.4 SEM images of normal and white aberration area

從以上現(xiàn)象可知，發(fā)白色差為表面質(zhì)量缺陷，非內(nèi)部組織缺陷。需要深入研究導(dǎo)致鋁合金帶材兩邊部與中部發(fā)白色差的原因，并提出改善措施。

3 發(fā)白色差缺陷產(chǎn)生原因分析

3.1 季節(jié)天氣對(duì)發(fā)白色差缺陷產(chǎn)生的影響

鋁及鋁合金化學(xué)性質(zhì)活潑，在干燥空氣中也能形成一層均勻的氧化膜，但這層氧化膜相對(duì)陽(yáng)極氧化膜而言是不致密的，不能有效保護(hù)鋁表面，易被潮濕空氣或者水浸濕氧化腐蝕。

圖5為不同季節(jié)月份對(duì)發(fā)白色差缺陷的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，夏季7月份及8月份出現(xiàn)色差卷材的比例明顯高于冬季12月及1月份的。主要的區(qū)別在于南方夏季處于雨水豐沛時(shí)期，鋁卷邊部暴露在高溫、高濕度的空氣中，極易加劇氧化腐蝕，而中部則相對(duì)影響較小，帶材經(jīng)過(guò)軋制與軋輥的接觸摩擦，邊部與中部粗糙度不均勻而導(dǎo)致發(fā)白色差。

圖5 季節(jié)天氣對(duì)發(fā)白色差的影響Fig 5 Effect of seasonal weather on white aberration

3.2 退火工藝對(duì)發(fā)白色差缺陷的影響

5052-H22鋁合金帶材退火溫度一般在300 ℃以下，未發(fā)現(xiàn)發(fā)白色差缺陷，但鋁卷發(fā)生不完全再結(jié)晶，得到的金相組織為部分纖維狀組織及部分完全再結(jié)晶組織，力學(xué)性能不穩(wěn)定。因此必須采用H32工藝生產(chǎn)3C產(chǎn)品用鋁合金帶材。H32狀態(tài)中間退火為完全再結(jié)晶退火，可以得到完全再結(jié)晶組織，退火溫度一般在320 ℃以上，極易導(dǎo)致Mg元素偏析，氧化生成MgO；經(jīng)EDS能譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)發(fā)白色差區(qū)域較正常區(qū)域的w(Mg)高0.02%～0.04%，此種差異會(huì)導(dǎo)致帶材軋制后邊部與中部粗糙度差異，從而導(dǎo)致發(fā)白色差缺陷。

3.3 軋制油油品對(duì)發(fā)白色差的影響

帶材發(fā)白區(qū)域與正常區(qū)域經(jīng)XRF熒光光譜儀檢測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2可知，帶材發(fā)白區(qū)域的S、P以及Cl元素含量較高，而在軋制油基礎(chǔ)油及添加劑中不含有這些元素或者含量極微，軋制油基礎(chǔ)油中w(S)一般控制在5×10-6以下。S、P以及Cl元素主要來(lái)源于液壓油、軸承潤(rùn)滑油等機(jī)械用油。這些元素極性極強(qiáng)，吸附在鋁卷表面，即使經(jīng)過(guò)堿洗清洗也不易去除。5052鋁合金中的Mg元素較活潑，易與S、P以及Cl等極性元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)膜，造成表面殘留[3]。在高溫退火時(shí)，不能有效揮發(fā)出去，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)分解腐蝕鋁帶材兩邊部，導(dǎo)致繼續(xù)冷軋后出現(xiàn)發(fā)白色差。

表2 XRF元素檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/10-6)Table 2 Results of XRF element detection(wt/10-6)

其次軋制潤(rùn)滑油油膜強(qiáng)度偏低，潤(rùn)滑能力不足，鋁粉剝落量增大，相對(duì)中部，兩邊部更易殘留鋁粉；潤(rùn)滑不足同樣會(huì)導(dǎo)致軋制力加大，軋輥的彈性變形加劇，導(dǎo)致鋁卷兩邊部與軋輥之間變形區(qū)接觸狀態(tài)更為復(fù)雜，當(dāng)油膜破裂時(shí)，軋輥與鋁卷直接接觸，嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致鋁卷粘鋁。

軋制油理化指標(biāo)不合理，也會(huì)加重帶材邊部與中部表面質(zhì)量差異，導(dǎo)致邊部帶材粗糙化，形成發(fā)白色差缺陷。因此，一方面需要嚴(yán)格控制機(jī)械油泄漏，另一方面需提高軋制油油膜強(qiáng)度，使軋輥與帶材間形成穩(wěn)定均勻的化學(xué)吸附膜[4]，使軋制帶材表面顏色一致。

4 改善措施及效果評(píng)價(jià)

針對(duì)5052-H32鋁合金帶材雙邊發(fā)白色差質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的改善措施：

1)在高溫潮濕季節(jié)，加快生產(chǎn)鋁卷的流轉(zhuǎn)，采用防腐蝕包裝膜包裝鋁卷，減輕鋁卷在高溫高濕空氣中的氧化腐蝕，可有效防控發(fā)白色差缺陷。

2)優(yōu)化退火工藝。降低退火溫度10 ℃～15 ℃，減輕高溫Mg析出。采用爐內(nèi)旁冷技術(shù)，旁冷時(shí)間不小于10 h，使帶卷溫度降至200 ℃以下再出爐，軋制后未發(fā)現(xiàn)發(fā)白色差。圖6為帶卷在箱式退火爐內(nèi)中間退火后繼續(xù)在爐內(nèi)采用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)冷卻情況下，出爐帶卷溫度對(duì)發(fā)白色差的影響。由圖6可以看出，隨著帶卷出爐溫度不斷降低，發(fā)白色差嚴(yán)重程度也隨之減輕。

圖6 帶卷出爐溫度對(duì)發(fā)白色差的影響Fig 6 Effect of discharging temperature on white aberration

3)對(duì)軋制油進(jìn)行優(yōu)化。一方面定期檢查軋機(jī)機(jī)械油的泄漏，以防污染軋制油，嚴(yán)格控制軋制油中w(S)<0.3×10-4。另一方面提高軋制油中添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至8.0%～8.5%，優(yōu)化長(zhǎng)碳鏈C14以及C16的分布，加入脂肪酸添加劑等措施，保證軋制油油膜強(qiáng)度不小于最大無(wú)卡咬負(fù)荷340 N，改善軋制油的承載能力及摩擦性能，使軋制的帶材表面均勻細(xì)膩。圖7為提高軋制潤(rùn)滑油的油膜強(qiáng)度對(duì)軋制帶材表面的影響?？梢钥闯?，油膜強(qiáng)度由300 N提高至340 N后，軋制帶材表面更為均勻細(xì)膩。生產(chǎn)5052-H32鋁合金帶材發(fā)白色差缺陷減少了92%，改善效果明顯。

圖7 不同軋制油油膜強(qiáng)度軋制帶材表面掃描電鏡圖Fig.7 SEM images of rolling strip surfaces with different rolling oil film strength

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)3C電子產(chǎn)品用5052-H32鋁合金帶材兩邊部的發(fā)白色差表面質(zhì)量缺陷，主要從預(yù)防帶材邊部在高溫高濕度的空氣中氧化腐蝕、優(yōu)化退火工藝減輕高溫氧化、改善軋制油油品等三個(gè)方面進(jìn)行改善，出現(xiàn)雙邊發(fā)白色差質(zhì)量缺陷的不良5052-H32鋁合金帶卷比例已下降至1%以下，改善效果顯著。