電解銅箔用陰極輥在線研磨常見技術問題與解決方案

吳佩知

（廣東英達實業(yè)有限公司，廣東 江門 529725）

陰極輥是生箔機的關鍵部件。硫酸銅電解液中的銅離子在電場的作用下電沉積到陰極輥表面，同時陰極輥做勻速旋轉(zhuǎn)，銅離子連續(xù)電沉積到陰極輥表面而形成銅箔，銅箔經(jīng)過剝離并收集成卷，從而實現(xiàn)電解銅箔的連續(xù)生產(chǎn)[1]。

由于電解銅箔是在陰極輥表面沉積而成的，是陰極輥表面結構的映射，因此陰極輥的表面狀態(tài)就直接決定了銅箔的表面狀態(tài)。陰極輥表面越均勻，越細膩，則生產(chǎn)出的銅箔表面越均勻；反之，陰極輥表面越粗糙，銅箔表面色澤越不均勻，會有雪花斑，嚴重時甚至出現(xiàn)亮面銅粉、烏化等現(xiàn)象[2]。

陰極輥的表面狀態(tài)不但直接影響銅箔的表面品質(zhì)，更對銅箔的晶粒結構產(chǎn)生作用。銅離子在沉積到陰極輥的過程中，陰極輥表面不同的粗糙度首先會影響陰極表面積的大小，進而影響電解過程的電流密度，最終影響到銅箔晶粒的大小、形狀和分布，嚴重時甚至導致滲透孔的出現(xiàn)。而這些都與陰極輥表面狀態(tài)息息相關。

綜上所述，要生產(chǎn)出高品質(zhì)的電解銅箔，對陰極輥的表面提出以下要求：陰極輥晶粒細小，表面色澤均一，粗糙度均勻，表面潔凈、無氧化、無深劃痕、少亮線、無明暗帶等。

1 陰極輥在線研磨工藝流程

電解銅箔在生產(chǎn)過程中，陰極輥表面的機械腐蝕和電化學腐蝕會逐漸加劇。生產(chǎn)時間越長，陰極輥表面腐蝕越嚴重，進而影響銅箔的表面品質(zhì)。目前市場對同一卷銅箔表面一致性要求極高。因此，陰極輥在使用一段時間后必須進行拋光，將陰極輥表面因腐蝕而產(chǎn)生的銀色氧化膜以及附著在陰極輥表面的雜質(zhì)一并去除，恢復陰極輥表面平整光滑的工作狀態(tài)。

修復陰極輥時主要有在線拋光和離線拋光兩種方式。

在線拋光是指陰極輥不調(diào)離生產(chǎn)線，對陰極輥表面進行輕度清潔，去除表面氧化皮和雜質(zhì)，一般采用陰極輥專用磨刷。因為無需將陰極輥調(diào)離，所以在線拋光對生產(chǎn)影響較小，操作相對方便。一般可以調(diào)整拋光時間間隔、磨刷粒度、磨刷硬度等條件，使得陰極輥始終保持較好的表面狀態(tài)，維持電解銅箔的表面一致性[3]。

當陰極輥表面出現(xiàn)碰傷或者劃傷而不能由在線研磨進行修復時，就需要將陰極輥調(diào)離生產(chǎn)線，使用研磨力更強的聚乙烯醇研磨輪在專用的磨床上進行修復，此所謂離線拋光。離線拋光需要停產(chǎn)，會影響生產(chǎn)效率，同時在拆裝過程中要非常小心，陰極輥表面不能再產(chǎn)生碰傷和劃傷[4]。

1. 1 陰極輥磨刷的選擇和評價指標

1. 1. 1 磨刷的結構

如圖1所示，磨刷有3種形式：疊合形式，飛翼形式，卷緊形式。3種形式滿足了不同金屬的研磨需要。其中疊合形式和卷緊形式多應用于不銹鋼。對于鈦輥的在線研磨，考慮到鈦是比較軟的金屬，且需提供均勻一致的清潔效果和較強的研磨力，所以大多采用飛翼形式。飛翼形式可以通過改變研磨材料的種類和片數(shù)來調(diào)整磨刷的研磨力和均勻性。

圖1 磨刷的結構 Figure 1 Structures of different grinding brushes

1. 1. 2 磨料的選擇

常見的磨料如圖2所示，每種磨料的硬度、韌性和適用的材質(zhì)均有不同。陰極輥的材質(zhì)為鈦，是一種對研磨溫度極度敏感且非常難加工的金屬。針對鈦金屬的拋光清潔應用，推薦采用黑碳化硅磨料進行研磨，主要原因是相對于其他磨料，碳化硅外形更加尖銳，同時礦砂比較容易破碎，在研磨鈦表面時研磨力強，不容易粘著，礦砂在破碎的過程中能維持研磨力。

圖2 各種磨料的形狀 Figure 2 Shapes of different abrasives

1. 1. 3 磨刷的粒度

粒度是指磨料顆粒的粗細程度，磨料的粗細規(guī)格用粒度號來表示。目前各國所采用的粒度劃分標準不同(見表1)，如日本采用JIS標準，美國采用ANSI標準，歐洲采用FEPA標準，中國的GB標準與FEPA一樣。

表1 不同磨粒標準的粒徑對照表 Table 1 Particle size conversion chart for abrasives between different standards

在鈦輥研磨刷中通常有#800、#1000、#1500(也有部分客戶稱這個粒度為#1200)、#2500(有少數(shù)要求陰極輥更精細表面效果的客戶會選用)等不同粒度的磨料應用于不同種類的銅箔生產(chǎn)。

總體而言，磨料顆粒越粗，研磨力越強，去除氧化皮雜質(zhì)的效果越好，同時研磨后陰極輥表面越粗糙；顆粒越細，研磨力越弱，研磨出來的陰極輥表面越細膩、均勻。

1. 2 磨刷的研磨力

磨刷的研磨力主要通過2個方面來調(diào)整：一是不織布研磨材料本身的研磨力；二是磨刷的硬度(或者片數(shù))。其中不織布研磨材料對研磨過程起決定性作用。

不織布研磨材料由3個部分構成：礦砂，纖維，結合劑(如圖3所示)。在研磨陰極輥的過程中，這3個要素相互影響。磨粒在研磨中起主要作用，結合劑的力學性能、纖維的結構強度等也同樣影響研磨效果。簡言之，通過這3個部分的調(diào)整可以獲得具有不同研磨力和均勻性的研磨材料，進而影響最終的拋光效果[5]。

圖3 無紡布研磨材料結構及彈性研磨原理 Figure 3 Schematic diagrams showing the structure of nonwoven abrasive material and the principle of elastic grinding

與普通的砂紙不同，無紡布研磨材料的基材是尼龍，磨粒對工件表面更多的只是表面清潔、拋光等作用，這個過程被稱為“彈性研磨”。彈性研磨主要改變工件的表面狀態(tài)，不改變工件的本體尺寸。這一點在鈦輥清潔中非常重要。

1. 3 研磨效果的評價指標

陰極輥研磨后的粗糙度是研磨效果的核心控制參數(shù)，其中以Ra、Rz最為常見。

Ra是指一個取樣長度內(nèi)，被測輪廓線上各點距中線距離的算術平均值(如圖4所示)。它反映了整體平均的粗糙度水平。

圖4 Ra的定義 Figure 4 Definition of Ra

Rz是在取樣長度內(nèi)5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和(如圖5所示)，它反映了表面的均勻性。

圖5 Rz的定義 Figure 5 Definition of Rz

1. 4 陰極輥在線研磨常見工藝

經(jīng)過多年工廠現(xiàn)場實踐，陰極輥在線研磨可以總結為3個步驟：

(1) 粗磨，其主要目的是初步清除表面的氧化層和雜質(zhì)，將這些雜質(zhì)和氧化層從鈦輥表面轉(zhuǎn)移到磨刷表面。

(2) 清潔磨刷，將磨刷表面的雜質(zhì)洗去，使磨刷表面恢復清潔。

(3) 精拋，即再次用磨刷拋光鈦輥表面，使得鈦輥表面達到均勻一致的效果。

由于生箔設備生產(chǎn)廠家不同，每個銅箔制造企業(yè)會根據(jù)自身的設備情況對研磨步驟進行調(diào)整。重點是避免出現(xiàn)由于雜質(zhì)累積而造成的明暗帶、磨刷表面堵塞等情況。

1. 5 陰極輥在線研磨影響要素和研磨效果之間的關系研究框架

鈦輥表面研磨效果需要考察以下幾個方面：陰極輥表面是否均勻，無劃傷或亮線；陰極輥表面氧化層、雜質(zhì)是否研磨干凈，進而影響陰極輥的氧化周期；陰極輥表面的Ra、Rz是否穩(wěn)定可控，能否滿足不同厚度、不同粗糙度銅箔的生產(chǎn)要求；陰極輥研磨后生成的銅箔有無針孔、撕邊、過氧化等情況。

影響因素包括：無紡布材料本身的配方、粒度選擇，無紡布加工成刷子的工藝、片數(shù)選擇，以及現(xiàn)場設備的工藝參數(shù)調(diào)整等。

2 陰極輥在線研磨常見問題及解決方案

2. 1 陰極輥表面出現(xiàn)亮線/深劃痕

在陰極輥研磨過程中時常會有深劃痕出現(xiàn)，如圖6所示。其主要原因是磨刷表面出現(xiàn)雜質(zhì)或者大的膠砂顆粒?？梢赃x擇不同種類的無紡布研磨材料來改善亮線和深劃痕的問題，同時適當降低磨刷的工作壓力或者調(diào)整磨刷的軟硬度。

圖6 亮線/深劃痕示意圖 Figure 6 Schematic diagram of bright line or deep scratch on Ti roller surface

2. 2 陰極輥表面粗糙度不達標

粗糙度是研磨效果的綜合反映，主要由磨刷的選擇和工藝參數(shù)所決定。通過調(diào)整工藝參數(shù)和磨刷可以改變在線研磨后陰極輥表面的粗糙度。

研磨后陰極輥的表面粗糙度與目標值相差較大可能是磨刷的粒度選擇出現(xiàn)誤差。不同粒度的磨刷在同等參數(shù)下研磨出的光亮度和粗糙度完全不同，需要根據(jù)客戶的目標進行適當選擇。

在工藝參數(shù)方面，適當增大(減小)研磨壓力會令粗糙度增大(減小)，轉(zhuǎn)速、擺動頻率、磨刷的旋轉(zhuǎn)方向等也會影響陰極輥的粗糙度。通過調(diào)整這些工藝參數(shù)可獲得不同的表面粗糙度。

2. 3 氧化周期過短或者不穩(wěn)定

氧化周期是指鈦輥在線使用過程中兩次研磨間隔的時間。磨刷的研磨力和鈦輥的清潔效果息息相關，而表面清潔效果直接影響到鈦輥的氧化周期：如果陰極輥清潔不干凈，陰極輥很快就會再次氧化，必須停機進行再次研磨；反之，鈦輥表面深度清潔干凈則可以保持較長久的時間不需要研磨，從而保證長時間連續(xù)生產(chǎn)。

氧化周期過短可能是因為磨刷本身的研磨力不夠，或者是因為磨刷使用過程中表面累積了污染而造成研磨力不夠，清潔不干凈。

磨刷研磨力的調(diào)整方法為：選用同一粒度、但是研磨力更強的磨刷，或者選用粒度更大的磨刷。更換磨刷之后需要適當調(diào)整工藝參數(shù)，以滿足生箔的要求。

需要特別注意的是，當磨刷表面污染累積到一定程度時，很難通過水流的沖洗來達到清潔的目的，只能通過離線的外圓修整來去除表面污物。通過調(diào)整磨刷定期離線修磨的頻率和尺寸可以解決磨刷表面污染累積的問題。

2. 4 陰極輥表面出現(xiàn)明暗帶

新磨刷上機后，在研磨若干次陰極輥之后，有時會在陰極輥表面留下明暗帶，如圖7所示。這時需要觀察兩點：(1)明暗帶對應磨刷的位置是否有雜質(zhì)殘留；(2)陰極輥明暗帶和磨刷噴水口的位置是否有對應關系。

圖7 陰極輥表面明暗帶示意圖 Figure 7 Schematic diagram showing the nonuniform gloss phenomenon on Ti roller surface

依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，明暗帶的產(chǎn)生與磨刷表面雜質(zhì)的累積相關。有雜質(zhì)累積的地方，磨料的暴露較少，研磨力不夠，而沒有雜質(zhì)的地方，磨料正常裸露。這導致了磨刷表面光澤不均勻，最終在陰極輥表面產(chǎn)生明暗帶。

短期的解決方法是降低轉(zhuǎn)速，減少雜質(zhì)在磨刷表面的累積。長期的解決方案是通過調(diào)整噴水口的流量和位置，加速清潔磨刷表面，使其在使用時一直保持清潔。

3 總結

銅箔行業(yè)飛速發(fā)展，陰極輥研磨技術在不斷更新?lián)Q代[6]。然而無論銅箔產(chǎn)品如何變化，始終需要一個表面均勻、無亮線、無劃傷、清潔干凈的陰極輥來保障銅箔生產(chǎn)的連續(xù)進行。本文只是簡單探討了部分陰極輥在線研磨中常見的問題，并根據(jù)多年工程實踐，從研磨原理上分析了相關的原因和給出部分解決方法，希望給同仁提供一點參考。