銅及銅合金板帶坯表面清洗技術及研磨裝備

張躍龍

（福建紫金銅業(yè)有限公司，福建龍巖 364200）

1 表面清洗技術概況

目前，銅及銅合金板帶生產的常見工藝流程為：鑄錠→熱軋（水平連鑄無此步驟）→銑面→粗軋→切邊→清洗→退火→中精軋→退火→清洗→精軋→清洗→拉彎矯→切邊（分條）→包裝。其中，清洗工序在銅板帶生產流程中屬于重要環(huán)節(jié)且不可或缺：第一道清洗工序，主要是為了去除軋制后銅板帶坯表面附著的殘油及污垢，為退火做準備；第二道清洗工序，主要是為了去除退火后表面附著的黑灰、白灰等污垢，同時去除銅板帶表面所呈現的一些缺陷。清洗工序能夠使銅帶坯表面光滑平整，亮度一致，有效提高表面質量。目前，表面清洗生產裝備已實現了連續(xù)化、自動化生產，工藝中包含了預脫脂、脫脂刷洗、酸洗、研磨、鈍化、烘干等工序。清洗線主要配置，見圖1。

圖1 銅及銅合金板帶坯表面清洗生產線

本文擬對銅板帶生產表面清洗線中的脫脂、鈍化、酸洗及研磨工藝進行探討，并對某企業(yè)實際生產中使用的幾種研磨刷機進行優(yōu)缺點分析。

2 表面清洗技術分析

2.1 表面脫脂

表面脫脂是銅板帶坯表面清洗工藝中比較重要的部分，其主要作用是去除銅帶表面殘留的軋制油（或乳化液）、軋制過程中產生的銅粉，以及因軋制高溫產生的碳化物（炭黑），來防止帶材在退火過程中產生黑斑，降低軋制殘留物對帶材表面的腐蝕，提高帶材的抗腐蝕性。常見的脫脂方式主要有溶劑脫脂、電解脫脂、超聲波脫脂、液堿脫脂及熱水高壓脫脂等[1]。

1）溶劑脫脂。溶劑主要為各種與潤滑油親和的石油系、氯系、氟系化合物，乳化活性劑等。溶劑脫脂溶解潤滑油能力強，脫脂迅速、徹底，清洗效果可達到單面1～3 mg/m2。但石油系物質易燃，氯系致癌，氟系會破壞臭氧層，且存在乳化活性劑與油品反應產物清除困難等問題。溶劑脫脂在銅和銅合金板帶材上極少使用，主要用于銅管、銅箔在線封閉清洗。

2）電解脫脂。電解脫脂的原理是通過在堿性溶液中通電，以銅帶作為陰極，利用電解時陰極產生的氫氣泡將表面污物及殘油剝離。其優(yōu)點在于氫氣是極強的還原、活化劑，脫脂效果好，并且具有表面拋光作用，清洗效果可達單面3 mg/m2；其缺點是電解液中金屬雜質易析出沉積在銅帶表面，易產生過度脫脂，惡化帶材表面的情況。電解脫脂主要用于小型試樣的脫脂、拋光；若要用于大規(guī)模生產，仍需解決許多問題。

3）超聲脫脂。該技術的原理是在脫脂槽內，將超聲信號轉化為每秒上萬次的高頻機械振蕩，并通過在脫脂液中的輻射傳播造成“空化效應”，形成無數小氣泡；小氣泡破裂時可以產生1 000個大氣壓的瞬時高壓，對帶材產生持續(xù)沖擊，達到剝離油污的效果。該技術具有環(huán)保無污染特性，表面清洗效果好，對于氧化不嚴重的帶材，可以省去酸洗工序，直接加入鈍化劑即可完成所有清洗過程，大大簡化清洗工藝流程。清洗效果可達到單面小于5 mg/m2。該技術主要應用于非連續(xù)性通過的小型機械零件的槽式浸入式清洗，尚未見到該技術實際應用到大規(guī)模連續(xù)化清洗生產中，主要是由于專用設備開發(fā)、造價費用高，制約該技術推廣應用的關鍵因素。

4）液堿脫脂。該技術原理是利用堿性溶液對油污的皂化作用，進而除去皂化性油污。當液堿添加少量表面活性劑時，還可以對非皂化油(礦物油)起到乳化作用，從而起到除去非皂化性油污的作用。該技術成熟，廣泛應用于連續(xù)化銅板帶清洗線，是目前板帶脫脂的主要方式，清洗效果可以達到單面5 mg/m2。但該技術存在堿霧的收集處理問題，同時去除的油污存在降低脫脂效果的問題，因此必須增加油水分離裝置。

5）熱水脫脂。該技術原理是采用高壓熱水沖破表面油膜及污物，配合多級熱水噴淋，從而達到去除油污的目的。該項技術已在國外得到實際應用，可達到堿洗的效果，且環(huán)保無污染，是目前較先進的脫脂方式。目前，國內外該技術的相應裝備、技術已經研發(fā)出來，正在推廣應用。在銅加工領域，該技術適用于各種連續(xù)化展開清洗線，是最具有發(fā)展前途的新興環(huán)保脫脂技術。

綜上所述，液堿脫脂是目前板帶脫脂的主要方式。目前，一般銅加工廠使用的脫脂劑為德國漢高公司生產的P3水溶液，其溶質質量分數為0.3%～0.5%，溶液溫度控制在60～70℃[2]。液堿脫脂一般采用一定壓力的“液堿預噴淋+脫脂刷洗”方式。在液堿的沖淋和一定的轉速下，杜邦絲刷輥配合背輥對板帶進行刷洗，從而能較好地去除帶材表面的殘油和附著在銅帶表面的銅粉和雜質?！耙簤A預噴淋+脫脂刷洗”工藝簡單，成本低，效果好，在銅板帶行業(yè)中應用最為廣泛。

2.2 酸洗

在銅板帶生產中，酸洗主要用于清洗銅板帶坯中氧化銅，尤其是退火過程中產生的氧化銅。

在銅帶的退火過程中，銅板帶表面會出現兩種氧化皮成分（CuO和Cu2O）。一般情況下，二者都會以分層的形式存在于帶材表面，如圖2所示。外面一層是CuO，里面一層是Cu2O。此外，兩者存在的比例一般取決于退火溫度：當退火溫度設定為900℃時，Cu2O的占比約為90%；當退火溫度設定為300℃左右，Cu2O的占比接近10%。銅板帶材在退火過程中氧化物占比與退火溫度的關系見圖3。

圖2 氧化層分層示意

圖3 表面氧化物占比與退火溫度的關系

酸洗的作用是去除板帶材表面的氧化物，其涉及的化學反應式如下：

在式（1）中，CuO被很好地清洗了；在式（2）中，雖然Cu2O也能被清洗掉，但最后會多生成一個Cu。即，一部分銅會被脫氧并沉積在帶材表面，使帶材表面渾濁不清，這種表面痕跡被稱為“紅銹”。

在現代生產中，各家企業(yè)為保證研磨后的銅板帶材表面質量，生產線速度基本控制在80 m/min以內，因此銅板帶材在酸中的浸泡時間一般不超過10 s；但根據各廠家生產的帶材合金品種及品質要求的不同，其使用酸的品種、溫度、濃度、速度、添加劑等均有差異。

帶材生產過程中的酸洗主要有酸槽浸泡式、噴淋式兩種方式：1）浸泡式酸洗的酸槽采用內外槽結構，并設有酸液循環(huán)泵、加熱器等。這種方式的優(yōu)點浸泡均勻，產生酸霧較少，能夠提高帶材表面光亮度。國內生產企業(yè)采用這種方式較多。但酸槽長度長，體積大，空間占用率高，需要考慮設備空間問題。2）噴淋式酸洗設備主要是由噴淋室、酸液儲液槽、加熱器等組成。該方法通過采用較高壓力將酸液噴向帶材表面，從而對帶材進行浸漬酸洗。該方法清洗效果好，用時短，設備占用空間小，線速度可以相對提高；但這種方式容易產生較多的酸霧不利于環(huán)保，同時也容易出現酸液外流的情況，有一定的風險，一般無特殊要求的情況下基本不選用此種方式。

為了提高銅板帶材的表面質量，就有必要去除殘留其表面的紅銹。去除紅銹最好的方式是研磨。研磨的方式又分為化學研磨和物理研磨，物理研磨即采用研磨刷進行研磨；化學研磨則是將過氧化氫放入酸洗液中，其化學反應式為：

然而，化學研磨雖然能有效去除紅銹，但處理后的帶材表面光亮度不足，因此物理研磨更受歡迎。

2.3 研磨

為了有較好地去除氧化層的效果，酸洗一般都與研磨工藝配合使用，研磨工藝對改善銅板帶表面質量提高有顯著作用?，F在的銅板帶生產廠家，除設置了單獨的脫脂線外，其余為保證帶材表面質量，都會設置研磨工藝。中間清洗環(huán)節(jié)進行研磨可減小鑄造缺陷傳遞到成品銅帶中去，使半成品保持良好的表面質量進入銅帶精軋；成品清洗環(huán)節(jié)進行研磨，能得到高表面質量的銅帶[3]。

現代銅板帶加工行業(yè)上根據刷輥的不同將研磨方式分為磨削、研磨、拋光3種。事實上，物理研磨工藝都是使用含有碳化硅顆粒的“百潔布”刷輥研磨。每個企業(yè)會根據不同的材料，不同的客戶要求對刷輥、機器、研磨方式進行選擇。簡而言之，磨削就是重研磨，研磨就是中間研磨，拋光就是輕研磨。材料厚度與研磨方式對應關系見表2。

表2 材料厚度與研磨方式對應

依據日本標準JISR 6001[5]和JISR 6010[6]，以及參考國際標準ISO 8486—1/2和ISO 6344—3/4，刷輥根據磨粒的大小進行歸類，磨粒與刷輥歸類對應表見表3。

表3 磨粒與刷輥歸類對應

銅及銅合金板帶材研磨后的表面粗糙度是下游客戶非常關心的重要指標。本文采用粗糙度為Ra=0.1 μm的原始材料進行測試，并檢測研磨后其表面粗糙度，結果見圖4。

圖4 表面粗糙度Ra與刷輥目數的關系

根據測試結果及下游客戶的使用反饋，整體表現為磨削后Ra為0.15～0.40 μm，研磨后Ra為0.1～0.2 μm，拋光后Ra為0.04～0.10 m。

另外，轉速、壓下量、帶材線速度的不同，以及順逆刷的不同也會對粗糙度產生較大影響?，F在，很多銅帶生產線還會在研磨刷后增加一對采用杜邦絲刷輥的清洗刷，對研磨后的帶材表面進行清掃、清理，去除研磨后留在帶材上的銅粉。

2.4 鈍化

由于銅具有還原性，易發(fā)生氧化，特別是銅合金本身各合金元素間存在電位差異，因而在濕熱環(huán)境中極易腐蝕變色。為防止氧化變色，銅及銅合金板帶材清洗后必須進行鈍化，因此鈍化也是表面清洗中的重要工序之一[6]。目前，鈍化通常采用BTA（分子式C6H5N3）以及BTA誘導的脂肪酸氨化合物、烷基氨化物機緩蝕劑在銅及銅合金表面形成一種穩(wěn)定的、保護效果較強的保護膜，防止銅帶快速的氧化變色。目前，銅板帶加工的鈍化工藝基本在60～70℃的環(huán)境中進行，銅帶與鈍化劑在短短的幾秒鐘內就可以形成Cu-BAT鰲合聚合物，厚度約50?。這種鰲合聚合物極其穩(wěn)定，很難被腐蝕破壞，因此具有良好的防變色效果，能較好地保持金屬光澤，且不影響焊接。

但各廠使用的具體操作方式也有不同。有的廠家是在兩級熱水沖淋后，再對銅板帶進行鈍化；有的是在一級熱水沖淋后，對銅板帶進行鈍化；有的則是在一級熱水沖淋后，對銅板帶進行鈍化，然后再次進行沖淋。

另外，現行固態(tài)鈍化劑在配置時相對繁瑣，長時間的使用對設備噴淋室還存在一定的晶尖腐蝕，損壞箱體，故現在已逐步被液態(tài)環(huán)保的鈍化劑所取代。

3 兩種研磨刷機的對比

現今銅帶材清洗生產線中使用的研磨刷大概可分為雙支撐研磨刷機和懸臂式研磨刷機兩種。其中，雙支撐研磨刷機分為容克式、WSP型雙支撐刷機，懸臂式研磨刷機分為單背輥、雙背輥懸臂刷機。

3.1 雙支撐刷機

1）容克式雙支撐刷機。該刷機采用內外套形式，外部是能夠承受較大載荷、由碳鋼制作的牌坊，內部為雙層不銹鋼噴淋室。其優(yōu)點有：①刷子兩端均有軸承及軸承座安裝在牌坊上，從而可以得到比較大的研磨刷力，生產時可以有較多的刷力調節(jié)空間，同時配合不同目數的研磨刷輥得到豐富的帶材表面質量，其結構見圖5。②刷機運行時，因其結構帶來的優(yōu)勢,運行噪音小，振動輕微。不足之處在于：①刷機箱體內部與外部的主牌坊是分開的，在連續(xù)生產過程中無法直接觀察到內部的水流及噴射情況；②設備要求的定位精度較高，平時的維護要求較高，維修非?？简灳S護人員的水平。③內部箱體不是完全封閉的，存在一定的漏液的情況，又因大部分廠家的工藝布置均與酸槽靠近，酸槽漏出的水體會對設備主牌坊及牌坊上所安裝的執(zhí)行部件有一定的腐蝕性，影響其正常的工作。

圖5 容克式雙支撐刷機結構

2）WSP型雙支撐刷機。德國生產商根據客戶反饋的使用經驗和容克式刷機的劣勢，設計生產出支撐結構在箱體內部的雙支撐刷機，省去了外部的主牌坊。WSP型雙支撐刷機的優(yōu)點在于：①在刷機的某些部分添加了膨脹材料，有效地降低了刷機的振動，既保證了所需要的刷力，又滿足了可視的要求，同時還避免了漏液現象的發(fā)生；②刷機采用磁性聯(lián)軸器，可以實現快速更換刷輥和背輥，在生產中大大地節(jié)約了換輥時間。此類型刷機的不足是軸承座長時間處于噴淋水的沖刷下，軸承的潤滑作用效果差，日常生產中需要經常檢查軸承工作情況，增加工作量。為此，有的廠家對軸承座進行了改進，即在軸承座上加裝內套（相當于給軸承穿了一件雨衣），能較好地避免軸承受到沖刷，同時也能保證軸承的潤滑，減少工作量及生產輔助時間。WSP型雙支撐刷機外形結構如圖6所示。

圖6 WSP型雙支撐刷機外形結構

3.2 懸臂式研磨刷機

單背懸臂式研磨刷機很好地規(guī)避了雙支撐研磨刷機的劣勢，具有換刷快、生產輔助時間少、不漏液等優(yōu)勢，同時具有大面積的觀察口能很好地觀察刷機內部的工作狀態(tài)。但是，由于該設備只有單側的支撐，并且在設計時考慮到軸承的支撐性和使用壽命，刷軸的直徑相對較小，刷軸長度也不能太長，導致其抗偏擺的能力較差，所能承受的刷力也相對較小，更適合研磨力較小的生產線。單背懸臂式研磨刷機見圖7。

圖7 單背懸臂式研磨刷機

在實際生產線對研磨刷機進行選擇時，一般根據銅帶材坯料的寬度進行選擇。帶材坯料寬度在500 mm以下的可以選擇懸臂式刷機，500 mm以上建議選擇雙支撐式刷機。

雙背輥懸臂刷機：在研磨過程中，不論是雙支撐刷機還是懸臂刷機都會產生明顯的程度不一的橫向振紋。橫向振紋是帶材表面微小的振動痕跡，即使在顯微鏡下也幾乎沒有尺寸差異，但在明亮的區(qū)域能夠看到。經過分析認為，振紋是刷輥與帶材在接觸過程中，研磨刷和刷軸發(fā)生輕微偏差造成的。在刷機運行過程中，帶材都是壓在背輥上與刷輥接觸，屬于線接觸。而研磨刷并非真圓，所以其轉動的圓度會有一定偏差；刷軸在運行中也會有輕微的擾度，因此在研磨過程中都或多或少會產生一定的振紋。為消除或者減輕振紋對銅板帶坯表面質量的影響，有些設備廠商設計出雙背輥刷機，見圖8。雙背輥刷機使刷輥與帶材的接觸從線接觸變成了面接觸，使研磨力均勻地分布在了接觸面上，能有效地減少橫向振紋，提高帶材的表面質量。

圖8 雙背輥懸臂刷機

圖9、圖10為某廠單背輥懸臂刷機及雙背輥懸臂刷機在相同工況下通過15倍顯微鏡觀察處理的銅帶材表面。從圖9、圖10中可以看出，與單背輥刷出的痕跡相對比，雙背輥刷出的帶材痕跡更加細膩均勻，橫向振紋非常輕微，且可以承受較大的刷力，帶材表面質量更好。

圖9 單背輥懸臂刷機刷出紋路

圖10 雙背輥懸臂刷機刷出的紋路

4 結語

本文所論述企業(yè)采用“液堿預噴淋+脫脂刷洗”的技術對銅及銅合金板帶坯進行表面脫脂處理，清洗效果好、工藝簡單、成本低；采用酸槽浸泡式酸洗銅帶坯，浸泡均勻，產生酸霧較少；采用磨削、研磨、拋光三種方式相結合的研磨工藝，可以獲得高表面質量的銅帶坯；采用液態(tài)環(huán)保鈍化劑，使銅帶坯表面的鈍化效果更穩(wěn)定，能較好地保持表面金屬光澤；使用雙背輥懸臂刷機，有效地減少了橫向振紋，獲得更好的帶材表面質量。通過對上述表面清洗工藝及研磨裝備的選擇和優(yōu)化，該公司銅帶材的表面質量得到明顯提升，某些牌號的銅帶材產品在市場中已占有主導地位，為企業(yè)帶來了良好的經濟和社會效益。