純Cu 添加量對(duì)軋制鋁箔坯料組織與性能影響

黎志勇

（1. 廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 肇慶 526100； 2. 馬來(lái)西亞國(guó)民大學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院， 雪蘭莪州 410500, 馬來(lái)西亞）

質(zhì)量輕且具有良好密封性的鋁箔，廣泛應(yīng)用于電子、儀表、食品、包裝、建筑等領(lǐng)域，成為工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中不可缺少的材料，實(shí)際應(yīng)用對(duì)鋁箔的力學(xué)性能和表面等質(zhì)量提出了更高的要求， 希望性能更好、質(zhì)量更高、成品率更高[1-4]。 應(yīng)用在電子、建筑等領(lǐng)域的鋁箔，大多是99.0%～99.5%的工業(yè)純鋁；應(yīng)用在鋁電容器的鋁箔，則是純度超過99.9%的高純鋁，所以在市場(chǎng)上直接采購(gòu)到的鋁箔，無(wú)法直接應(yīng)用于電容器中，需要采用合適的方法來(lái)制備高純鋁。 目前盡管我國(guó)在全球鋁電容器制造中占據(jù)重要地位，但是專用于電容器的鋁箔材料質(zhì)量卻較為一般，無(wú)論是微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能，還是其表面質(zhì)量，與國(guó)際先進(jìn)生產(chǎn)制備技術(shù)仍有較大差距。 在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)制備中，多是采用向純鋁中添加部分化學(xué)元素， 通過改變合金成分，提高純鋁鋁箔性能，從而提高純鋁鋁箔生產(chǎn)質(zhì)量。為進(jìn)一步提升鋁箔的質(zhì)量特別是綜合力學(xué)性能，多通過增加合金元素例如Cu 來(lái)提升鋁箔坯料性能[5-10]。為進(jìn)一步明確Cu 對(duì)電容器用鋁箔坯料的影響，推動(dòng)我國(guó)鋁箔生產(chǎn)質(zhì)量的提高，將Cu 熔入純鋁中，重點(diǎn)探討不同的添加量對(duì)鋁箔坯料組織影響，并分析對(duì)力學(xué)性能影響，最終總結(jié)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)和研究。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的原始材料為1A99 工業(yè)純鋁，對(duì)應(yīng)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（AA）牌號(hào)為 1 199 Aluminum[11]，具體的化學(xué)成分如表1 所列。

表1 1A99 工業(yè)純鋁的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 1A99 commercially pure aluminium 單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

因?yàn)樯倭吭嘏c微量元素總體占比較低，并不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，可以正常試驗(yàn)。

將試驗(yàn)材料通過感應(yīng)加熱機(jī)，加熱到720 ℃高溫使其充分熔化，保溫30 min 處理后，分別向熔化金屬中加入 Al 總用量分別為 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的純Cu，充分?jǐn)嚢韬螅S持在720 ℃溫度保溫10 min，精煉處理后，將析出熔渣去除，將熔化合金注入磨具內(nèi)。 靜置一段時(shí)間， 使金屬冷卻到室溫，每組分澆注5 份樣品，并以機(jī)械將其軋制成厚度為6 mm 的鋁箔坯料， 然后軋制成2.5 mm 厚的鋁箔坯料，接著軋制成1.25 mm，最后將鋁箔（坯料）軋制成0.6 mm 厚度。 分別將制成的鋁箔坯料放置于370 ℃環(huán)境中，保溫6 h 后，隨爐冷卻，退火操作后獲得最終產(chǎn)物，為了探究退火溫度對(duì)其組織性能的影響，增加一組加熱溫度325 ℃，保溫6 h，隨爐冷卻的樣。

為充分檢測(cè)在純鋁中加入Cu 元素制成的鋁箔組織變化與力學(xué)性能， 采用由日立集團(tuán)提供TM4000PlusII 臺(tái)式顯微鏡， 對(duì)鋁箔坯料觀察其退火前后顯微組織。力學(xué)性能則是由蘇州檢卓?jī)x器提供的SHK-A101 材料試驗(yàn)機(jī)，針對(duì)鋁箔坯料在退火處理前后變化完成性能測(cè)試。

其操作流程為：先通過鋁箔剪切器對(duì)鋁箔進(jìn)行剪切，保證切口光滑，以長(zhǎng) 170 mm、寬 15 mm 的試樣為準(zhǔn)，將材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁箔樣品進(jìn)行夾緊，以1 mm/min 的速度進(jìn)行勻速拉伸，在位移時(shí)記錄樣品的載荷變化，在樣品被徹底拉斷后停止記錄。 同時(shí)，應(yīng)用CHANNEL 5.0，對(duì)本試驗(yàn)測(cè)得信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提升數(shù)據(jù)研究質(zhì)量。 因?yàn)楸驹囼?yàn)僅是添加微量的Cu，所以沒有特殊情況，僅以“添加”與“未添加”進(jìn)行描述。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 純鋁鋁箔坯料組織觀察

通過光學(xué)顯微鏡對(duì)退火處理后未添加與添加不同Cu 含量的鋁箔坯料顯微組織進(jìn)行觀察，并進(jìn)行對(duì)比，研究具體組織變化。 圖 1 是未添加Cu 的鋁箔坯料顯微組織照片，對(duì)于未加入Cu 元素的工業(yè)純鋁，退火后，工業(yè)純鋁組織中晶粒比較粗大，平均晶粒大小在50 μm 以上， 同時(shí)晶粒大小分布不均勻。

圖1 未添加Cu 的鋁箔坯料370 ℃×6 h 退火后顯微組織照片F(xiàn)ig. 1 Microtissue photo after annealing of 370 ℃×6 h of aluminum foil billet without added Cu

圖2 所示為不同Cu 添加量鋁箔坯料顯微組織照片。 從圖 2（a）到圖 2（e），隨著銅添加量增加，軋制鋁箔坯料組織中晶粒有變小和均勻化趨勢(shì)， 且觀察到第二相粒子均勻分布于晶界及其附近區(qū)域[12-15]，將純銅添加至工業(yè)純鋁內(nèi)， 在高溫作用下，Cu 會(huì)與α-Al 固溶體充分結(jié)合，產(chǎn)生銅鋁合金。 而剩余Cu 則會(huì)在高溫下， 與Al 進(jìn)一步反應(yīng)， 產(chǎn)生第二相化合物CuAl2從Al 基體中析出。觀察已加入Cu 元素的鋁箔坯料組織，強(qiáng)化相晶粒規(guī)格較小，并以等軸方式均勻，使純鋁鋁箔坯料具有均勻的組織，穩(wěn)定提升純鋁顯微組織綜合性能。

對(duì)比圖 2（e）與圖 2（f），添加 0.5%和 0.6%純 Cu的鋁箔坯料組織中平均晶粒大小都約為10 μm，添加的純Cu 增加0.1%，但鋁箔坯料組織中晶粒細(xì)化不明顯，晶粒的均勻性也沒有明顯均勻化趨勢(shì)，所以，軋制純鋁鋁箔坯料中選擇添加0.5%的純Cu 獲得更理想的顯微組織。

圖2 不同Cu 添加量的鋁箔坯料370 ℃×6 h 退火后顯微組織Fig. 2 Microtissue photo after annealing of 370 ℃×6 h with different Cu additions

2.2 Cu 對(duì)再結(jié)晶晶粒影響

對(duì)于0.6 mm 厚度的鋁箔坯料， 在退火處理時(shí)，除原本的370 ℃外， 增設(shè)1 組325 ℃作為對(duì)照組，如圖3 所示，未添加Cu 的純鋁冷軋板，其晶粒并沒有過于明顯的邊界波動(dòng)特征，但是添加Cu 的純鋁冷軋板，其晶粒則可以觀察到明顯的波動(dòng)特征，尤其是邊部周圍，波動(dòng)特征會(huì)更為明顯。這可能由于在溫度的影響下， 純鋁冷軋板會(huì)獲得更高的變形率，添加 Cu 后，會(huì)使加工硬化率得到進(jìn)一步提升。 在 325 ℃條件下， 進(jìn)行 6 h 退火處理，未添加Cu 的純鋁冷軋板并沒有完全完成再結(jié)晶過程， 應(yīng)用顯微鏡仍可以觀察到部分區(qū)域存在纖維組織, 而其表面位置則具有最多的纖維組織。

圖3 0.6 mm 鋁箔坯料325 ℃×6 h 退火后顯微組織Fig. 3 Microscopic strueture of 0.6 mm aluminum foil billet 325 ℃×6 h

但是，在相同的條件下，添加Cu 的純鋁冷軋板則完成了再結(jié)晶化，形成細(xì)小的等軸狀晶粒,晶粒中可以明顯看到第二相的細(xì)小彌散。 在結(jié)束370 ℃×6 h 退火處理后，未添加Cu 的純鋁冷軋板，應(yīng)用顯微鏡可以觀察到，其平均晶粒規(guī)格約在51.2 μm,而且晶粒也不是完全轉(zhuǎn)化成等軸晶， 長(zhǎng)軸與短軸之比約為1.87，晶粒規(guī)格并不均勻，其數(shù)量保持正態(tài)分布，即晶粒規(guī)格在40～50 μm 數(shù)量最多，其他規(guī)格的晶粒數(shù)量相對(duì)較少。 添加Cu 的純鋁冷軋板的平均晶粒規(guī)格約為30.4 μm，而且晶?；緸榈容S晶，長(zhǎng)軸與短軸之比約為1.33，晶粒規(guī)格同樣保持正態(tài)分布，但是不同規(guī)格的晶粒數(shù)量分布相對(duì)集中，規(guī)格在20～30 μm 的數(shù)量最多。 在退火之后，再次結(jié)晶化的晶粒規(guī)格明顯下降，有可能是添加Cu 的純鋁冷軋板的冷軋晶粒規(guī)格偏小，存在一定的晶界波動(dòng)，這導(dǎo)致原本較小的晶界面積獲得顯著提升， 使晶界周邊存在較多的位錯(cuò)塞積，造成晶格畸變概率明顯提升，形核區(qū)域也有所增加，在這種條件下，形核率得到有效提升，再結(jié)晶速度加快，晶粒規(guī)格也隨之降低。

2.3 Cu 對(duì)純鋁鋁箔晶粒與組織影響分析

通過光學(xué)顯微鏡對(duì)退火處理前后的鋁箔顯微組織以0.8 μm 進(jìn)行細(xì)致觀察，并將兩者進(jìn)行對(duì)比，研究具體晶粒與組織影響。 對(duì)于未加入Cu 元素的工業(yè)純鋁，在退火操作處理后，具有較大規(guī)格的晶粒，其數(shù)量較多，平均晶粒規(guī)格在3.07 m 左右，同時(shí)晶粒大小并不均勻， 這種材料應(yīng)用于鋁電容器的陽(yáng)極鋁箔的制備環(huán)節(jié)，難以保證擁有良好成品質(zhì)量，所以需要對(duì)其展開進(jìn)一步的研究[5-6]。將Al 總用量的0.5%純銅添加至工業(yè)純鋁內(nèi)，在700 ℃的高溫作用下，Cu 會(huì)和固溶體充分結(jié)合，產(chǎn)生銅鋁合金，使純鋁的性能得到穩(wěn)定提升；而剩余Cu 則在高溫影響下，與Al 進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生第二相化合物，從Al 基體中析出，保證Al 的純度不受影響。 觀察已加入Cu 元素的工業(yè)純鋁，強(qiáng)化相晶粒規(guī)格明顯下降，大多數(shù)的晶粒規(guī)格較小，其平均晶粒規(guī)格在2.65 m 左右，并以等軸方式均勻分布，這種變化使純鋁擁有均勻的組織結(jié)構(gòu),穩(wěn)定提升純鋁顯微組織的多方面能力，從而提高純鋁的綜合性能。 而且，向純鋁加入Cu，強(qiáng)化相生成速度加快，在相同處理?xiàng)l件下，添加Cu 的純鋁比未添加Cu 的純鋁擁有更多強(qiáng)化相。 大量強(qiáng)化相有效提高材料應(yīng)用強(qiáng)度，提高純鋁鋁箔實(shí)用性。 從Al 基體中獲得的，其擁有可溶性，可以溶在合金中，讓純鋁擁有一定量的合金， 從而達(dá)到強(qiáng)化性能的效果，可以穩(wěn)定提升合金抗拉性能，提高材料應(yīng)用質(zhì)量。 所以，將Al 總用量的0.5%純銅作為添加物，加入工業(yè)純鋁中，可以使純鋁內(nèi)部擁有較多、較大規(guī)格的晶粒數(shù)量有效縮減，以較小規(guī)格的晶粒維持純鋁組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并有效提高組織均勻性，更符合工業(yè)生產(chǎn)需求，這也是我國(guó)在工業(yè)制備純鋁的主要研究方向。

2.4 Cu 對(duì)純鋁鋁箔力學(xué)性能影響

2.4.1 退火前抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分析

圖4 所示為不同Cu 添加量的鋁箔坯料抗拉強(qiáng)度曲線圖， 本試驗(yàn)將6.0 mm 厚度鋁箔坯料軋制成0.6 mm 厚度鋁箔，經(jīng)過4 道次軋制工序，組織內(nèi)部晶粒在軋制力影響下充分破碎， 大尺寸晶粒變?yōu)樾【Я?，一定程度上提升了鋁箔抗拉性能。 對(duì)鋁箔坯料展開力學(xué)性能方面測(cè)試，將數(shù)據(jù)收集并整理后，分析得出，鋁箔在沒有添加純銅且未進(jìn)行退火處理前，其抗拉強(qiáng)度為145.7 MPa，伸長(zhǎng)率為4.3%；在純鋁中加入純銅制成合金后，產(chǎn)生強(qiáng)化相，穩(wěn)定提升鋁箔力學(xué)性能，隨著純銅添加量的增加， 鋁箔坯料的抗拉強(qiáng)度增加，純銅添加量為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提升到219.3 MPa，上升幅度為50.5%，Cu 元素會(huì)使Al 晶粒組織細(xì)化，并保持良好均勻性，穩(wěn)定提高鋁箔抗拉性能。 與此同時(shí)，隨著含Cu 添加量的增加， 鋁箔坯料的塑性卻明顯下降， 純銅添加量為0.5%的鋁箔坯料伸長(zhǎng)率縮減至1.8%，下降了54.3%。

圖4 Cu 元素含量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig 4 Relationship curve between Cu element content and tensile strength

2.4.2 退火后抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分析

退火前，鋁箔坯料經(jīng)過了多道工序反復(fù)處理，鋁箔坯料組織晶粒充分破碎，從而使晶粒進(jìn)一步縮小，晶粒均勻性增加；退火處理后，晶粒均勻性進(jìn)一步改善。 與此同時(shí)，鋁箔坯料的內(nèi)應(yīng)力增加、塑性降低，如圖5 所示，塑性降低會(huì)影響鋁箔后續(xù)軋制的進(jìn)行。 為使后續(xù)軋制道次順利進(jìn)行， 提高鋁箔的成品率和質(zhì)量，需要對(duì)鋁箔進(jìn)行退火處理，使鋁箔內(nèi)部晶粒實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶，消除加工硬化，降低內(nèi)應(yīng)力，恢復(fù)鋁箔的塑性。 作為處理代價(jià)，此時(shí)會(huì)使鋁箔的抗拉性能降低。退火處理后， 鋁箔坯料抗拉性能大幅度降低， 含Cu量0.5%的鋁箔坯料的抗拉強(qiáng)度為100.2 MPa， 比退火前下降54.3%；伸長(zhǎng)率大幅度提升至17.4%，比退火前上升667%。

圖5 Cu 元素含量與伸長(zhǎng)率的關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curve of the Cu element content and the elongation rate

向純鋁中加入純銅，Cu 元素會(huì)于位錯(cuò)周邊大量聚集，使位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎效應(yīng)，讓原本活躍的晶界遷移行為產(chǎn)生阻滯反應(yīng)，并有效阻礙晶粒再結(jié)晶，限制其進(jìn)一步長(zhǎng)大。 Cu 在高溫作用下，會(huì)與Al 產(chǎn)生CuAl2合金相，有序分散至合金組織內(nèi)[16-20]。 彌散對(duì)于合金有強(qiáng)化作用，從而提高鋁箔的抗拉性能，Cu 添加量為0.5%的鋁箔坯料退火后的抗拉強(qiáng)度為100.2 MPa，未加入Cu 的鋁箔坯料退火后的抗拉強(qiáng)度為53.1 MPa，上升幅度為88.8%。 Cu 添加量0.5%的鋁箔坯料的伸長(zhǎng)率為17.4%，未加Cu 的鋁箔坯料退火后的伸長(zhǎng)率為28.4%，下降幅度降為38.7%。

3 結(jié) 論

1）在純鋁中加入Cu，可以使組織細(xì)化，縮減晶粒規(guī)格，有效提升組織均勻性。

2）向純鋁加入Cu，使強(qiáng)化相生成速度加快，大量強(qiáng)化相可有效提高材料應(yīng)用強(qiáng)度， 提高純鋁鋁箔實(shí)用性。 從 Al 基體中獲得CuAl2， 其擁有可溶性，在合金中擁有強(qiáng)化效果，可以穩(wěn)定提升合金抗拉性能。

3） 經(jīng)過退火處理，CuAl2依然起到加強(qiáng)彌散強(qiáng)化效果，可以大幅度提升鋁箔抗拉性能，同時(shí)獲得良好的塑性。

4）將0.5%純銅作為添加物，加入工業(yè)純鋁中，可以使純鋁內(nèi)部較大規(guī)格的晶粒有效縮減，并有效提高組織均勻性，更符合工業(yè)生產(chǎn)需求。

在實(shí)際純鋁鋁箔生產(chǎn)中，可以適當(dāng)添加Cu，用于提升鋁箔組織均勻度與抗拉性能。