OPC感光鼓用6063鋁合金管材生產(chǎn)工藝研究

何 亮

(廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司,廣東 佛山 528000)

隨著信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,用戶(hù)對(duì)打印機(jī)和復(fù)印機(jī)的功能要求越來(lái)越高,其核心部件OPC(Organic Photo Conductor,有機(jī)光導(dǎo)體)感光鼓的任何缺陷將降低影像質(zhì)量,這就對(duì)制造感光鼓用鋁管的金屬夾雜物﹑金屬間化合物﹑氫含量﹑切削后的表面質(zhì)量等指標(biāo)提出了非常高的要求。要制成高品質(zhì)OPC感光鼓,其核心是如何在保持低成本的前提下獲得制造OPC感光鼓用的表面質(zhì)量高的鋁管。因此,改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)出更高品質(zhì)感光鼓用鋁合管材是適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。市場(chǎng)高品質(zhì)OPC感光鼓用鋁合管材的質(zhì)量要求:車(chē)削加工表面粗度Ry達(dá)到1.0 μm以下,抗拉強(qiáng)度達(dá)到100 MPa以上,金屬間化合物平均尺寸不大于3 μm,金屬間化合物數(shù)量不大于1 500個(gè)/mm2,車(chē)削加工后表面因夾雜、氣孔缺陷所致不良率控制在0.005%以下。

1 試驗(yàn)過(guò)程

OPC感光鼓的生產(chǎn)工藝流程:熔煉→在線除氣→鋁液過(guò)濾→鑄造圓鑄錠→鑄錠均勻化退火→鑄錠熱剝皮→擠壓→矯直→鋸切裝框→拉拔→精鋸→表面精車(chē)→檢驗(yàn)包裝→客戶(hù)鍍膜(光導(dǎo)材料)。

1.1 合金成分

6063鋁合金的主要組成相為α(Al)、Mg2Si,可能的雜質(zhì)相為FeAl3、(AlFeSi)等。常規(guī)6063鋁合金成分:w(Si)=0.2%～0.6%、w(Mg)=0.45%～0.9%,主要合金相w(Mg2Si)=0.6%～1.4%,w(Fe)<0.35%。Fe含量較高,形成的AlFeSi相就多,當(dāng)針狀β-AlFeSi相向粒狀α-AlFeSi相轉(zhuǎn)化不充分時(shí),就很容易在鏡面切削加工后形成表面缺陷[2],難以滿(mǎn)足OPC感光鼓對(duì)管材的表面要求。為探討合金成分對(duì)管材力學(xué)性能和金屬間化合物尺寸的影響,實(shí)驗(yàn)采用不同Si、Fe含量的1#和2#兩種合金,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用6063鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 鋁合金圓鑄錠的制備

配料采用Al99.80鋁錠,用氬氣將精煉劑吹入爐內(nèi)鋁液中,進(jìn)行初步的除氣除渣,然后鋁液通過(guò)除氣箱在線除氣除渣,通過(guò)60 ppi(1 ppi=39.37個(gè)孔/m)泡沫陶瓷過(guò)濾板和130 ppi剛玉陶瓷管過(guò)濾[3],鑄造成φ132 mm 的6063鋁合金圓鑄錠。熔鑄工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 熔煉和鑄造工藝參數(shù)

1.3 鋁合金圓鑄錠的均勻化退火

鋁合金鑄錠的均勻化退火試驗(yàn)在井式電阻爐中進(jìn)行,退火溫度分別為540 ℃、560 ℃和580 ℃,退火保溫時(shí)間分別為5 h、7 h和9 h,加熱速率為7 ℃/min。采用JSM-6510A型掃描電鏡觀察鑄錠金相組織。

1.4 熱剝皮和擠壓

鑄錠加熱后熱剝皮去掉2.5 mm厚表層,然后在10 MN擠壓機(jī)上將鑄錠擠壓成外徑為(28.8±0.1)mm,壁厚1.75 mm的管材。擠壓工藝參數(shù):鑄錠溫度為480 ℃～490 ℃,模具溫度430 ℃～450 ℃,擠壓速度12 m/min～14 m/min,擠壓出料溫度500 ℃～530 ℃,風(fēng)冷淬火。

1.5 拉拔

通過(guò)兩道次拉拔,第一道次變形量為30.79%,拉拔后管材外徑為(26.5±0.05)mm,壁厚為1.3 mm。第二道次變形量為30.26%,拉拔后管材外徑為(25±0.05)mm,壁厚為0.95 mm。用S8 APO型金相顯微鏡觀察管材組織。用WDW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量拉拔管材力學(xué)性能。

1.6 表面精車(chē)和檢測(cè)

拉拔管鋸切成300 mm長(zhǎng)的成品后,在EGURO RL-500R的數(shù)控車(chē)床對(duì)圓管外表面進(jìn)行精車(chē)。精車(chē)后進(jìn)行表面暗場(chǎng)金相組織觀察。精車(chē)使用三種刀具:湖南單晶刀、臺(tái)灣聚晶刀、普通合金刀。精車(chē)時(shí),車(chē)床的主軸轉(zhuǎn)速固定為4 500 r/min,對(duì)三種刀具精車(chē)的管材表面粗糙度、效率進(jìn)行對(duì)比。精車(chē)后在專(zhuān)用色燈下檢測(cè)車(chē)削后表面夾雜和氣孔缺陷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔鑄工藝的影響

鋁液經(jīng)過(guò)爐內(nèi)精煉除氣、在線除氣箱除氣,氫含量為0.102 mL/(100 g Al)～0.130 mL/(100 g Al)。鋁液再經(jīng)過(guò)泡沫陶瓷過(guò)濾板和剛玉陶瓷管過(guò)濾后,使用LiMCA CM測(cè)渣系統(tǒng)檢測(cè)平均含雜量小于100個(gè)/kg,98%以上雜質(zhì)尺寸直徑不大于5 μm,達(dá)到高品質(zhì)OPC感光鼓用鋁合管材的相關(guān)質(zhì)量要求。管材如果有夾雜或者氣孔,表面鏡面車(chē)削后會(huì)留下細(xì)小孔洞。感光鼓在打印復(fù)印場(chǎng)景要想得到高畫(huà)質(zhì),就要保持著色粉末粒子微細(xì)化,因此,基體表面哪怕是極小的孔穴,著色粉末粒子都有輕易集聚進(jìn)去的危險(xiǎn),由此可見(jiàn)基體表面的平滑性非常重要?；闹袣浜亢碗s質(zhì)含量越低,管材質(zhì)量越好[4]。

2.2 最佳的均勻化退火制度

為了確定最佳的均勻化退火制度,減少AlFeSi相轉(zhuǎn)化不充分造成的鏡面車(chē)削缺陷,對(duì)經(jīng)不同均化退火熱處理后的2#鋁合金試樣進(jìn)行SEM觀察,AlFeSi相轉(zhuǎn)變的程度見(jiàn)圖1,β-AlFeSi為針狀組織且呈連續(xù)狀,α-AlFeSi為粒狀組織,且彌散分布。從圖1可見(jiàn)鑄態(tài)時(shí)AlFeSi相呈針狀且相互連在一起,而均勻化退火后AlFeSi相呈粒狀且彌散分布,隨著均勻化退火時(shí)間的延長(zhǎng)(對(duì)比圖1中 b、c、d和e、f)和溫度的升高(對(duì)比圖1b、e、g),β-AlFeSi向α-AlFeSi轉(zhuǎn)化的程度提高,溫度升高帶來(lái)的這種效果更明顯。β-AlFeSi對(duì)組織和后續(xù)加工是不利的,當(dāng)針狀β-AlFeSi相向粒狀α-AlFeSi轉(zhuǎn)化不充分時(shí),就很容易在鏡面切削加工后使表面形成細(xì)微缺陷。因此結(jié)合合金相溶解和AlFeSi相的轉(zhuǎn)變程度,再考慮效率問(wèn)題,最佳均勻化退火制度為580 ℃5 h。

圖1 2#合金鑄態(tài)和不同工藝均勻化退火后的SEM照片

2.3 管材組織

1#和2#鋁合金圓鑄錠經(jīng)580 ℃5 h均勻化退火后,經(jīng)過(guò)擠壓和兩道次拉拔后得到外徑為φ25±0.05 mm,壁厚為0.95 mm的管材。對(duì)其組織進(jìn)行金相顯微觀察和定量金相顯微分析,結(jié)果見(jiàn)表3和圖2。從表3可見(jiàn),2#鋁合金的金屬間化合物的尺寸明顯比1#鋁合金的小,2#鋁合金金屬間化合物的平均尺寸為1.9 μm,而1#鋁合金金屬間化合物的平均尺寸為3.5 μm。同時(shí)2#鋁合金中金屬間化合物的數(shù)量925個(gè)/mm2,比1#鋁合金中金屬間化合物的數(shù)量3 123個(gè)/mm2也少很多。管材表面暗場(chǎng)金相檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。因?yàn)榻饘匍g化合物數(shù)量和尺寸關(guān)系到感光體的成膜性與畫(huà)像品質(zhì),可能出現(xiàn)畫(huà)像濃淡斑,或在光源使用半導(dǎo)體激光等可干擾光時(shí)出現(xiàn)干擾紋,因此金屬間化合物尺寸越小,數(shù)量越少,則成像畫(huà)質(zhì)越好[5]。通過(guò)表面暗場(chǎng)金相檢測(cè),可以用于辨別材料對(duì)打印機(jī)復(fù)印件光學(xué)成像質(zhì)量的影響。圖3表面暗場(chǎng)金相組織說(shuō)明,2#鋁合金生產(chǎn)的管材成像質(zhì)量明顯優(yōu)于1#鋁合金生產(chǎn)的。

圖2 6063鋁合金管材的橫截面金相顯微組織

圖3 管材切削加工后表面暗場(chǎng)金相組織

表3 1#和2#鋁合金管材的金屬間化合物平均尺寸和數(shù)量

2.4 管材力學(xué)性能

通過(guò)上述擠壓和兩道次拉拔后的管材進(jìn)行拉伸測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4 (數(shù)據(jù)取三組拉伸試驗(yàn)結(jié)果的平均值)。由于2#鋁合金的合金元素和合金相的數(shù)量少,合金的純度提高,因此相對(duì)于1#鋁合金2#鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大幅度下降,但伸長(zhǎng)率相當(dāng)。

表4 1#和2#鋁合金管材室溫力學(xué)性能

感光鼓用鋁合金對(duì)管材的強(qiáng)度要求只需要抗拉強(qiáng)度達(dá)到100 MPa以上就可以滿(mǎn)足使用要求,可見(jiàn)2#鋁合金也完全滿(mǎn)足感光鼓對(duì)材料的強(qiáng)度要求。

2.5 管材表面粗糙度

在感光鼓的生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)基材的外表面進(jìn)行精車(chē),一般要求表面粗糙度Ry在1.5 μm以下,高品質(zhì)的要求Ry在1.0 μm以下。使用三種精車(chē)刀具:湖南單晶刀、臺(tái)灣聚晶刀、普通合金刀。精車(chē)在EGURO RL-500R的數(shù)控車(chē)床進(jìn)行,車(chē)床的主軸轉(zhuǎn)速固定為4 500 r/mm,對(duì)三種刀具達(dá)到最佳表面粗糙度以及表面粗糙度為Ry1.0 μm時(shí)三種刀具品質(zhì)、效率進(jìn)行對(duì)比[6]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。普通合金刀具車(chē)削的最佳表面粗糙度Ry只能達(dá)到1.0 μm,而且產(chǎn)品的表面不光亮,因此普通合金刀不能用于車(chē)削感光鼓用鋁合金管材。湖南單晶刀車(chē)削的最佳表面粗糙度Ry可以達(dá)到0.3 μm,表面非常光亮、生產(chǎn)效率最高。臺(tái)灣聚晶刀車(chē)削的最佳表面粗糙度Ry可以達(dá)到0.3 μm,表面也光亮、生產(chǎn)效率也高。但若車(chē)削表面粗糙度Ry只需達(dá)到約1.0 μm,則效率最高的是臺(tái)灣聚晶刀。綜合品質(zhì)、效率,車(chē)削感光鼓用鋁合金管材刀具選用臺(tái)灣聚晶刀。

表5 三種刀具車(chē)削管材的相關(guān)數(shù)據(jù)

通過(guò)大批量鏡面車(chē)削,然后在專(zhuān)用色光燈下檢測(cè),表面因夾雜、氣孔所致不良率在0.005%以下,滿(mǎn)足要求。客戶(hù)進(jìn)行涂布并經(jīng)過(guò)測(cè)試和使用,質(zhì)量完全達(dá)到市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)感光鼓的要求。

3 結(jié) 論

1)6063鋁合金中Mg和Si含量取下限值,降低雜質(zhì)元素Fe的含量,同時(shí)Cu、Mn、Cr、Zn等雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.01%以下,可以大幅減少金屬間化合物的尺寸和數(shù)量。

2)鋁液經(jīng)過(guò)爐內(nèi)精煉、除氣箱除氣除渣、再經(jīng)過(guò)60 ppi泡沫陶瓷過(guò)濾板和130 ppi剛玉微孔陶瓷管過(guò)濾后,鋁液的氫含量可達(dá)到0.13 mL/(100 g Al)以下,98%夾雜物尺寸可以控制在5 μm以下。

3)結(jié)合合金相溶解和AlFeSi相的轉(zhuǎn)變程度,綜合考慮生產(chǎn)效率,2#鋁合金圓鑄錠的最佳均勻化退火制度為580 ℃5 h。

4)用臺(tái)灣聚晶刀進(jìn)行車(chē)削加工感光鼓鋁管,糙度Ry只需要達(dá)到0.9 μm時(shí),生產(chǎn)效率更高。