8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究

劉 瑩，顏 凱，潘嘉鑫，曹 宇，曾勇謀，胡夢晗，賓月景

（梧州學院 機械與資源工程學院，廣西 梧州 543002）

0 引言

8011鋁合金產(chǎn)品主要以箔材為主，其按狀態(tài)可分為：硬質(zhì)箔（H18態(tài)）、半硬箔（H14/H24態(tài)）和軟質(zhì)箔（O態(tài)）與四分之一硬箔和四分之三硬箔。由于8011鋁合金鋁箔密封嚴、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強、無毒無味、出色的延展性好和強度高等一系列優(yōu)點，因此，在包裝、日用、機電、建筑、航空等領域應用廣泛。目前對材料輕量化以及高強度更進一步推動鋁合金在各個領域的廣泛應用[1-4]。但目前國內(nèi)絕大部分8011鋁箔面臨著生產(chǎn)能耗高、效率低、成本高、附加值低等現(xiàn)狀，低端產(chǎn)品較多，高端產(chǎn)品仍需從國外高價購買[5]。這也限制了我國8011鋁合金向高端領域發(fā)展。為了更好地開發(fā)高端8011鋁合金箔材，本研究的是8011鋁合金箔材的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 8011鋁箔的應用領域

在我國，鋁合金的產(chǎn)量僅次于鋼鐵，作為一種重要的輕金屬材料，在我國占據(jù)了較多的市場份額。隨著鋁和鋁合金焊接以及加工技術(shù)的不斷成熟，8011鋁合金箔材在各個領域的應用的重要性也突顯了出來。8011屬于8xxx系列合金，添加了Al-Fe-Si元素，超過1%總合金元素，合金性能有很大的優(yōu)勢，8011鋁合金化學成分見表1。目前，8011鋁合金箔材已經(jīng)應用于多領域，見表2，并有著大量的研究進展。

表1 8011鋁合金化學成分表

表2 8011鋁箔的應用范圍

在日用領域，雖然8xxx系合金也屬于熱處理不可強化合金，但與工業(yè)純鋁比較，具有更好的工藝性能、使用性能、力學性能與深沖性能，被廣泛用于空調(diào)箔、裝飾箔、金卡紙、飲料瓶蓋、防盜蓋的生產(chǎn)生活領域[6]。在2004年，張起[5]通過針孔控制技術(shù)并應用板形、表面控制開發(fā)的軟管用8011鋁箔，促進了國內(nèi)鋁合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使其處于國際領先水平。同年，以8011鋁合金生產(chǎn)出的0.0065 mm金卡箔在力學性能方面比一系合金的高出32～34 N/mm2，減輕了雙和油不均勻?qū)︿X箔暗表面亮度的影響，并加強了鑄軋帶材橫向厚差控制，使軋制張力減少了15%～40%，在同行中處于先進水平[7]?；诖诉M一步延伸出了合金空調(diào)器散熱器、換水器用親水環(huán)保型鋁箔。其具有抗拉強度高、延伸率大、表面均勻、親水性好的特點。2005年，渤海鋁業(yè)有限公司使8011鋁合金經(jīng)過特定的中間退火和成品退火工藝、適當改變了鑄造前的工藝、含油量控制技術(shù)等分別生產(chǎn)出性能優(yōu)異、使用性能好且環(huán)保的0.04～0.12 mm的半剛性容器箔、8011鋁合金薄轉(zhuǎn)換箔、8011鋁合金熱封包裝用鋁箔，分別適用于制作中高檔半剛性容器如杯、盤、盒，食品，煙草包裝等高檔包裝用鋁，鮮奶蓋以及食品的中高檔包裝用鋁需求[8-11]。2010年，中國鋁業(yè)股份有限公司西北鋁加工分公司，分別經(jīng)過對8011鋁合金的中間退火工藝的厚度及工藝控制，軋制工藝的優(yōu)化和增加了除油裝置適當調(diào)整了均勻化退火溫度，分別生產(chǎn)出超薄高質(zhì)量高性能啤酒標用鋁箔與高質(zhì)量高性能8011合金雙零箔[12，13]。在此基礎上，趙剛[14]使用鑄軋法進一步使雙零鋁箔具有晶粒細小，表面光潔干凈，抗拉強度及延伸率等特點，完全滿足市場對其高性能的要求，促進了8011合金雙零箔的發(fā)展。

在藥用鋁箔方面，萬寶偉等[15]研究了對PTP（Press Through Packaging）鋁箔的8011基材工藝的研究，使用鑄軋胚生產(chǎn)，并調(diào)節(jié)中間退火工藝以及控制好潤滑油的黏度及調(diào)整除油裝置，制造出比之前產(chǎn)品有著更高質(zhì)量、抗拉強度、抗破裂強度的以8011基材制造的PTP藥箔。在此基礎上，段瑞芬[16]通過對冷軋、箔軋以及原料的優(yōu)化改進，研究出提高醫(yī)藥包裝用8011鋁箔表面質(zhì)量和力學性能的方法。

在汽車領域，8011鋁合金主要用于散熱板的輕量化、環(huán)?；芯俊２澈ｄX業(yè)有限公司的8011合金汽車散熱器用鋁箔具有抗拉強度和延伸率高，杯突值高，平直度好，產(chǎn)品既能起到減厚度要求，又有加工成型好等特點代替了進口產(chǎn)品[17]。在某些型號大眾汽車、寶馬汽車的散熱器生產(chǎn)上已經(jīng)批量應用。

在航天領域，8011鋁合金向著輕量化，耐腐蝕，耐高溫的方向發(fā)展。不僅如此，飛機隔熱、燃料箱、飛機散熱器也有它們的身影。

1.1.2 8011鋁箔性能強化的技術(shù)方法

熱處理技術(shù)主要有中間退火、均勻化退火、穩(wěn)定化退火工藝技術(shù)。8011鋁箔產(chǎn)品性能較難控制，通常材料的性能低并且波動大，甚至同一爐退火出來的箔材也有明顯差異，國內(nèi)很多學者對8011鋁箔的熱處理技術(shù)進行了研究。邢強等人[18]通過研究中間退火工藝對鋁箔性能的影響，發(fā)現(xiàn)其力學性能波動較大，具體表現(xiàn)為抗拉強度在66～110 MPa范圍內(nèi)波動，延伸率在2%范圍內(nèi)浮動，如圖1所示，為了改變這一現(xiàn)狀，他們通過優(yōu)化中間退火工藝，減少了伸長率的波動，同時降低了伸長率，以提高材料的抗拉強度，如圖2所示。李響等[19]采用中間退火工藝320℃和與其相適應的冷軋加工率，提高了8011鋁箔的抗拉強度，使抗拉強度達到145～185 MPa，延伸率≥1%，促進了8011鋁合金材料的發(fā)展。

圖1 退火保溫時間與力學性能的曲線圖[18]

圖2 優(yōu)化退火工藝后的拉伸曲線[18]

熱處理工藝可以改善晶粒的大小，晶粒的大小也是決定8011鋁箔質(zhì)量的關(guān)鍵要素之一，因此對于晶?？刂频难芯恳彩?011鋁合金主要的研究方向。比如張晶等[20]通過成品退火工藝，對比了空調(diào)箔用8011合金與1100合金，發(fā)現(xiàn)8011鋁合金Fe、Si及雜質(zhì)含量多晶粒細化效果顯著且提高再結(jié)晶溫度，且其各向異性比1100合金箔的小一些。8011合金箔在不完全再結(jié)晶退火時其抗拉強度、伸長率明顯高于1100合金箔。因此，眾多空調(diào)箔生產(chǎn)廠和使用廠現(xiàn)在大多都在使用8011鋁箔而舍棄1100鋁箔。Chen等[21]通過對8011冷軋板進行了不同溫度的退火處理，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶程度增加，晶粒尺寸和析出相分布越來越均勻，在退火為350℃時，8011冷軋板的組織為細小均勻的等軸晶粒組織，材料的抗拉強度、硬度最優(yōu)。

熱處理工藝不當，溫度過高或者時間過長，容易致使材料表面出現(xiàn)氣泡，如圖3是8011鋁板冷軋退火后出現(xiàn)氣泡的外觀形貌。氣泡是由于材料內(nèi)部AlFeSi相的富集有利于氫富集和氫析出，外部致密的氧化膜阻礙氫析出共同作用形成的[22]。

圖3 8011鋁板冷軋退火后出現(xiàn)氣泡的外觀形貌[22]

材料的板形也是決定8011鋁箔質(zhì)量的因素。樊玉慶等[23]通過厚控和板型系統(tǒng)控制技術(shù)，顯著提高材料的抗拉強度高，其厚度可精確控制在±5%內(nèi)，此方法已經(jīng)被穩(wěn)定應用于市場。

馬震華[24]研究了軋輥原始凸度對8011鋁合金鍍膜箔板形的影響。結(jié)果表明，當原輥凸度為負值或過小時，軋制鋁箔會產(chǎn)生邊波缺陷。當原輥凸度過大時，鋁箔容易產(chǎn)生中間波浪缺陷。更換工作輥和支承輥，有利于板形的控制，提高材料的性能。

還有少量研究，提出了8011鋁箔軋制復合技術(shù)，如LIU等[25]通過輥鑄+輥壓結(jié)合的組合方法制備了Cu/8011/1060復合鋁箔，研究了軋制率對軋制過程中熔覆層組織和力學性能的影響，研究表明適當提高軋制壓下率可以提高8011復合箔的力學性能，當壓下率為47%Cu/8011/1060復合箔具有最佳的綜合拉伸性能，復合界面處形成了冶金結(jié)合。

一是考核主體不明晰，即由誰來進行評估尚無定論。無論是以中國管理科學研究院或者是武漢大學中國科學評價研究中心為代表的民間機構(gòu)，還是以教育部學位與研究生教育發(fā)展中心為代表的半官方機構(gòu)，其合法性和權(quán)威性一直都備受外界質(zhì)疑，其中立性也飽受詬病。二是考核對象分類不清。未能對被考核對象進行詳細分類是國內(nèi)高?？冃гu估結(jié)果引發(fā)外界爭議的一個重要原因。三是考核標準有待規(guī)范。國內(nèi)高?？冃гu估尚沒有提出一個完整和公認的績效評價指標體系，不同評價體系選用的指標差異較大，其評價結(jié)果也大不相同。

1.2 國外8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀

總的來看，西方工業(yè)化發(fā)達國家對于8011鋁箔的應用于研究歷史時間久，基礎好、經(jīng)驗積累豐厚，技術(shù)水平高，人力資源豐富。在食品、奶制品、啤酒標簽、日用包裝等中低端的產(chǎn)品中已逐漸飽和。

1.2.1 8011鋁箔強化的方法

國外對于8011鋁合金復合材料領域以及對材料強化的研究依舊活躍：為了增強單軸拉伸載荷下鋁8011鋁箔板力學性能，Reddy通過Taguchi方法和Gray-Taguchi優(yōu)化了在船舶以及航天和壓力容器用鋁箔的力學與機械性能[26]。在熱交換器熱泵中，Rahimi團隊[27-28]研究了鋁的表面改性方法及其對潛在的表面形態(tài)和0結(jié)構(gòu)的影響。優(yōu)化了在寒冷工作條件下，水蒸氣在8011鋁箔表面結(jié)霜的風險，增強了機器的整體性能。還有Kumar等[29]以碳化硅顆粒來增強8011鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)，在碳化硅顆粒集聚的地方獲得的硬度較高，材料的整體強度取決于顆粒在基體里面的分布。其抗張強度極限（UTS）隨顆粒含量的增加而增加，而生產(chǎn)率隨顆粒含量的增加而降低。Thippeswamy等[30]通過攪拌鑄造法，以8011鋁合金為基底引入納米二氧化鋯（ZrO2）顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，8011鋁合金+6wt%納米ZrO2的最大拉伸強度為116.089 n/mm2。8011鋁合金+6wt%納米氧化鋯的抗壓強度最高，為657.536 N/mm2。并且通過提高補強率，獲得了較好的硬度性能，并且通過顯微圖像顯示，納米ZrO2在8011鋁中均勻分布，并伴有枝晶間析出。

分析上述研究發(fā)現(xiàn)：國外主要是通過優(yōu)化計算方法、改善鋁合金表面、以鋁基加入其他顆粒來進一步強化鋁合金。

1.2.2 合金元素的作用

不少學者對合金中的元素影響進行了研究，Luiggi[31]研究出8011鋁合金析出動力主要由Fe在鋁基體中擴散控制，在T≤300°的動力學的行為解釋了富硅相的析出，并且可以用RT和HT樣品計算活化能顯示的差異。M.Rahimi的團隊解決了關(guān)于此合金在不同的參數(shù)下的水潤性，表面粗糙度和霜凍形成的問題[28]。K.Suresh等[32]利用成型鉆孔對以8011鋁合金為母板進行鉆孔，并用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測所形成鉆孔，研究發(fā)現(xiàn)，硅元素對鼓包的鉆孔起了積極的作用。當熱量升高時，成形性更高，使流動性更高，并增加了花瓣的形成。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，在合金中添加Fe、Si元素可以提高材料的力學性能、成形性和流動性性能。

1.2.3 8011鋁合金復合技術(shù)

國外對8011鋁合金復合材料也做了相關(guān)研究，如Prabhu等[33]對8011鋁合金與雞骨粉碳灰混雜金屬基體的試驗結(jié)果表明，除了一種雞骨粉碳灰，其他與8011鋁合金以納米復合鍵的形式緊密結(jié)合，其表面粗糙度隨著進給速度的增加而減小。Kumar等[34]以8011作為基體材料，用碳化硅進行強化。利用微觀結(jié)構(gòu)分析研究了工藝參數(shù)對顆粒分布的影響。研究發(fā)現(xiàn),具有10%SiC增強體的鑄造樣品，黏度為1.04mPa-s，45°與其他鑄造試樣相比，葉片角度、距底座40%的葉輪位置和10min的保溫時間提高了力學性能，顆粒分布均勻。較高的加工溫度，即較低的鋁熔體黏度和較高的葉片角度，會導致氣孔和顆粒聚集。

復合材料的整體強度取決于顆粒在基體中的分布。P.Chandrasekar等[35]通過ARB技術(shù)引入各種增強材料，由于Al 8011-B4C復合材料薄板之間的界面高度結(jié)合，基體內(nèi)的B4C顆?；ユi，發(fā)現(xiàn)8011鋁合金與碳化鈦（TiC），碳化鎢（WC）和碳化鋯（ZrC）的復合材料相比有著更高的硬度。另外Bonu等[36]研究了8011鋁合金與非金屬材料復合后其腐蝕速率隨著溫度的升高先減小，然后隨著溫度的升高而增大，當溫度在400℃時，腐蝕性能最好，如圖4所示。以上研究可見，以碳化硅、碳化鈣等碳化物、顆粒增強劑用來強化金屬是未來一種流行的趨勢，且效果較好。

圖4 Al-8011合金基底的腐蝕速率與溫度的關(guān)系[36]

2 8011鋁合金箔材存在的問題

與國外發(fā)達工業(yè)國家相比，我國的鋁箔發(fā)展晚，經(jīng)驗技術(shù)不夠成熟，鋁礦資源少。生產(chǎn)的鋁箔中低等過剩，高檔產(chǎn)品不足仍是我們需要面臨的問題，與世界先進水平仍有一些差距。用于高端領域的8011鋁箔較少，核心零部件不能自給。我國大部分8011鋁箔用于空調(diào)箔及其包裝業(yè)。

對于部分產(chǎn)能過剩的中低端領域，熱處理技術(shù)、板形控制技術(shù)、復合軋制技術(shù)仍不夠成熟，8011鋁箔常出現(xiàn)抗拉強度偏低、腐蝕性能差、氣泡、裂邊和板形不良等問題。

3 8011鋁合金箔材的未來發(fā)展及技術(shù)趨勢

目前8011鋁箔仍然以日用領域為主體，但應集中研發(fā)高端產(chǎn)品，如超薄高性能電池鋁箔、空調(diào)鋁箔及密封性好的航空鋁箔等。據(jù)預測到2025年中低端鋁箔產(chǎn)業(yè)供需趨于平衡，為了應對鋁箔產(chǎn)能過剩的情況，克服鋁箔強度低、開裂和氣泡等問題，需要通過技術(shù)優(yōu)化，進一步提高鋁箔綜合性能和質(zhì)量。技術(shù)優(yōu)化可以從下幾個方法著手：

（1）優(yōu)化熱處理工藝，如使用高溫短時或低溫長時退火工藝，來提高材料的力學性能。另外變質(zhì)處理能使晶粒更加均勻、細化，使其獲得更加優(yōu)良的性能。

（2）通過控制輥型形狀優(yōu)化板形，并配合使用彎輥技術(shù)，調(diào)整壓下量、張力等參數(shù)獲得良好的板形。

（3）優(yōu)化復合軋制技術(shù)，軋制復合時采用小壓下，從一個方向趕凈復合面之間的氣體，并且將復合面之間油污、雜質(zhì)清理干凈，減少氣泡產(chǎn)生。

不僅如此，還需要從材料自身方面發(fā)展，高端產(chǎn)品如鋁基顆粒增強劑或?qū)訝顝秃喜牧鲜俏磥硌芯康臒狳c及方向，可應用于電極、高端包裝及建筑領域。

4 結(jié)語

8011鋁箔已應用于日用、電子、建筑等多個領域，覆蓋范圍較廣。近些年來，對8011鋁箔的熱處理技術(shù)、軋制技術(shù)、板形控制技術(shù)研究也較多，產(chǎn)品相對成熟，但仍然存在一些問題。另外高端領域用鋁箔研究相對比較少，軋制復合或添加顆粒增強材料的8011鋁箔是未來材料的研究方向。