通過掃描電子顯微鏡分析鋁箔斷帶的原因

..通過掃描電子顯微鏡分析鋁箔斷帶的原因義新國孟紅波田常娟XX中鋁鋁業(yè),XX550013通信作者,E-mail:287472670qq摘要在對鑄軋卷生產(chǎn)的雙零鋁箔軋制生產(chǎn)長期跟蹤的情況下,收集大量斷帶缺陷樣品,通過現(xiàn)代先進材料檢測方法——掃描電子顯微鏡對缺陷處進行高倍數(shù)形貌分析和能譜成分分析,并結(jié)合前后工序情況、來料情況、輔助材料情況、缺陷產(chǎn)生時的實際情況,聯(lián)動的從理論和實際雙層面上分析雙零鋁箔軋制時斷帶產(chǎn)生的不同原因。提出了相應的減輕或消除缺陷的措施。關(guān)鍵詞雙零鋁箔；鑄軋；斷帶；掃描電鏡分類號斷帶是影響鋁箔軋制效率的主要原因之一,斷帶造成的不良影響有增加停機時間、斷帶處廢料、接頭率增加、接頭處鋁箔質(zhì)量問題,甚至會有安全隱患[1]。找到斷帶原因并制定相應的措施是提高鋁箔軋制效率和鋁箔質(zhì)量的關(guān)鍵點之一。掃描電子顯微鏡是一種先進的現(xiàn)代材料分析技術(shù),可以對鋁箔斷帶缺陷樣品進行表面形貌分析和成分分析,從而從本質(zhì)上弄清鋁箔斷帶的真正原因。本文通過對厚度6um-6.5um,合金成分為1235的200多份鑄軋生產(chǎn)鋁箔缺陷樣品進行掃描電鏡分析,初步得出造成鋁箔斷帶的主要原因有：坯料質(zhì)量〔包含鑄軋質(zhì)量、坯料板形、坯料表面質(zhì)量等、箔軋工藝〔包含軋制參數(shù)、軋制油、氧化、軋輥、操作方法、生產(chǎn)環(huán)境〔包含車間粉塵、蚊蟲、設(shè)備油污、劃傷等。1坯料質(zhì)量對鋁箔斷帶的影響及對應的解決措施1.1鑄軋熔體質(zhì)量晶粒細化劑Al-Ti-B系列的晶粒細化劑以棒狀形態(tài)加入鋁液中,其原始成分為Al3Ti和TiB2相,TiB2的相對分子量比鋁熔體大,易沉積大鋁液底部,鑄軋時被帶到鑄軋卷表面。同時TiB2粒子會與鋁材表面的Al、O等接觸成團,形成疏松組織[2],在后續(xù)箔軋的隨著鋁材的壓薄,疏松組織穿破鋁材或形成裂紋源,造成斷帶。典型的形貌圖和成分圖如下：在本次斷帶樣品掃描分析中,檢測到含Ti的疏松組織占比較大。所以晶粒細化劑加入不當是造成斷帶的主要原因之一。解決措施的關(guān)鍵點是控制Al-Ti-B晶粒細化劑的加入速度、加入量和加入點,減少TiB2相的沉積,同時使沉積的TiB2相重熔到鋁液中,同時研究新型的晶粒細化劑也有必要。鑄軋夾渣凈化處理不徹底、鑄嘴結(jié)渣脫落、鋁液轉(zhuǎn)移過程中混入氧化膜、高溫爐或溜槽中的耐火材料剝落都是鑄軋板中帶有氧化鋁夾渣的原因[3]。這類夾渣主要成分為氧化鋁,熔點高、硬度且沒有延展性,較雙零鋁箔厚度來說,夾渣的尺寸很大,軋制到較薄厚度時往往刺穿箔面形成裂紋源,再擴展開裂斷帶。減少鑄軋夾渣斷帶的主要措施是減少夾渣混入鋁板的量,主要有加強熔體凈化處理、定期清潔高溫爐、注意固定溜槽的內(nèi)壁剝落情況、定期更換活動溜槽、鑄嘴材料和制作工藝改進、一次立板生產(chǎn)卷數(shù)控制等。氫含量鋁熔體易吸收氫氣,且隨著溫度越高含氫量越大,氫在鋁液中以小氣泡的形式存在,隨著鋁液流入鑄軋區(qū)并被壓入固態(tài)鋁板內(nèi)。這種內(nèi)部殘留有微小氣泡的鋁板,在軋制到一定厚度會進行高溫退火和中間退火,其內(nèi)部的微小氣泡就有可能受熱膨脹[4],隨著鋁板被軋制的更薄,這些氣泡有可能暴露到箔材表面裂開,從而造成鋁箔斷帶。這種斷帶樣品通常檢測不到異物或成分異常,典型的掃描圖如下：減少鋁液中氫含量是整個行業(yè)一直關(guān)注和研究的課題,減少氫含量的主要方向就是加強精煉的效果,爐內(nèi)和爐外精煉都必不可少。目前國內(nèi)外比較先進的爐內(nèi)精煉技術(shù)有溶劑噴射精煉、透氣磚精煉、爐頂吹氣精煉、爐側(cè)吹氣或固體精煉劑精煉[5]。中間合金溶解不均勻在鋁水熔煉的過程中,為了達到規(guī)定的合金成分,需要加入Fe、Si、Mn等中間合金,一般以Al-Fe合金、Al-Si合金、Al-Mn合金或鐵劑、速溶硅或錳劑的形式加入,然后進行充分攪拌。若攪拌操作不當或中間合金質(zhì)量不達標,導致Fe、Si、Mn等元素不完全溶解。下圖為Fe元素溶解不均勻的斷帶電鏡圖：下圖為Si元素溶解不均勻的斷帶電鏡圖：選擇優(yōu)質(zhì)的中間合金原料并加強入廠檢測,控制好熔煉工藝,如金屬鋁水溫度和熔煉時間是減少因中間合金溶解不均勻造成斷帶的兩大主要措施。1.2箔坯質(zhì)量缺陷箔坯質(zhì)量缺陷箔軋斷帶的主要類型有：板型缺陷,箔坯表面質(zhì)量問題如黑油、氧化、劃傷等,原始成分不合理及高溫退火造成的粗大第二相等。除表面質(zhì)量問題有可能被電鏡檢測出外,其它兩類很難檢測出。下圖為黑油造成的缺陷樣品電鏡分析圖：當然,不僅是箔坯表面的黑油能造成箔軋斷帶,箔軋本身過程中帶入黑油也可能造成斷帶。并非所有的黑油混入都能引起斷帶,較輕微的可能只形成表面黑線,較嚴重的才會引起斷帶。據(jù)周亞軍分析,油泥主要由40%的鋁屑、60%的軋制油及其氧化物組成的粘稠狀黑色物質(zhì)[6]。與本文實際觀測到的情形很吻合。缺陷樣品宏觀上能早箔面上看到明顯的黑色物質(zhì),能譜檢測出鋁和軋制油及氧化物的成分。減少油泥缺陷的主要措施有加強軋制油管理,采用優(yōu)質(zhì)的軋制基礎(chǔ)油和添加劑,提高其穩(wěn)定性。另外對已生成油泥的軋制油可采取添加極性物質(zhì)或適量抗氧化劑,增加油品的清洗和分散性能來處理。對于另外兩種箔坯缺陷,板型缺陷和成分缺陷,論述的文獻較多,此處不做討論。2箔軋2.1軋制工藝在鋁箔過程中,軋制速度和后張力是兩個關(guān)鍵的調(diào)節(jié)參數(shù)。軋制速度過大超過一定限制時,軋制區(qū)溫度會上升使得潤滑條件變差,軋輥和鋁箔之間的摩擦加大,容易造成斷帶。而后張力過大或過小都有可能出現(xiàn)斜角、起鼓或折皺等缺陷造成斷帶[7]。在軋制缺陷樣品的檢測中,有一部分樣品檢測不出異常,這其中有可能就有因軋制工藝不當造成的。根據(jù)來料情況調(diào)整軋制速度和后張力是主要措施。2.2軋制油異物壓入鋁箔軋制采用的是全油潤滑,軋制油不僅起到潤滑、清洗、冷卻等作用,而且軋制過程中產(chǎn)生的氧化物、鋁屑、環(huán)境中的粉塵以及過濾介質(zhì)等都可能混入軋制油中,取軋機噴淋管中的軋制油過濾,并對過濾物進行高溫處理,處理后的物質(zhì)呈白色粉末狀,對其進行成分分析,主要約為75%Al2O3、10%SiO2、1%Fe2O3及14%其它,硬質(zhì)Al2O3的來源主要是在一定的軋制壓力和變形熱作用下,軋件表面的鋁與軋輥表面微凸體之間發(fā)生焊合并粘附在軋輥表面,隨后被沖到軋制油中且一部分被氧化,SiO2主要來自過濾介質(zhì)中用的硅藻土。掃描電鏡及形貌圖如下,除Al、Si外,這類異物通常還附有大量的軋制油。解決軋制油異物壓入造成斷帶的主要措施是增強軋制油過濾效果,具體要做的是把控好過濾紙、硅藻土、活性白土等原材料的理化指標及儲存條件,過濾紙在使用時背面出現(xiàn)漏粒現(xiàn)象,也應跟換新過濾紙。另外對運行中的軋制油要定期進行污染度分析,超出指標時要及時采取措施。2.3氧化氧化是指在軋制的過程中〔包括冷軋和箔軋,部分鋁箔表面沒有軋制油的覆蓋或軋制油本身混入了可使鋁氧化的物質(zhì),該處表面鋁與氧接觸形成氧化鋁膜。宏觀上呈現(xiàn)延軋制方向的,具有一定寬度的灰白色或暗灰色條狀缺陷。這類缺陷較輕時形成色差類表面缺陷,較嚴重時才會造成鋁箔斷帶。氧化膜的成分為氧化鋁,不具有延展性,在軋制過程中會裂開,垂直于軋制方向分布,根據(jù)氧化膜與其相間的正常成分區(qū)域的寬度,可以大致推測氧化產(chǎn)生的道次。成分范圍1是正常鋁箔表面,氧含量很少,可能是檢測誤差,無C,成分范圍2也是正常的表面,該處表面被裂開的氧化鋁膜隔開,形貌有凸凹,所以能檢測到少量的C和O,成分范圍3為氧化鋁膜,O含量最高。成分點/Wt%COAl范圍100.2299.78范圍22.990.6596.36范圍35.610.1884.22231231根據(jù)造成氧化的原因可知,減少此類缺陷的辦法主要有保證軋制油噴淋的均勻性,不可有噴淋盲區(qū),軋制油成分需均勻,無異常成分。更不可有其它能造成鋁氧化的物質(zhì)混入,如水分等。2.4軋輥缺陷軋輥是生產(chǎn)鋁箔最重要的工具,其主要成分為Fe、Cr及少量的Mn、Mo、V等。軋輥經(jīng)過磨削、沖洗達到需要的凸度、粗糙度和表面質(zhì)量要求。如果操作不當,可能出現(xiàn)表面拉毛、灼傷、啃傷等表面缺陷,就可能導致磨削物殘留在缺陷處并且在隨后的使用過程中進入鋁箔表面,由于這些磨削物是軋輥和砂輪的脫落物,硬度很大,極易造成鋁箔斷帶。下圖是軋輥缺陷造成斷帶的掃描電鏡圖,能譜成分檢測壓入鋁箔的異物與軋輥成分一致,不同尺寸的異物壓入鋁箔表面造成斷帶。防止軋輥缺陷造成斷帶的主要方法是選擇硬度和粒度合適的砂輪,冷卻液沖洗要及時充分,控制好磨削參數(shù),避免其他軋輥磨削過程的中異常等[9]。2.5粘鋁粘鋁斷帶是指在卷取的過程中,兩層鋁箔之間發(fā)生粘連,在下個道次開卷時無法正常分開,造成的撕裂斷帶。造成鋁箔之間發(fā)生粘連的可能原因有局部高粘度油混入、局部軋制油老化、噴淋量局部過少等。下圖為粘鋁斷帶缺陷樣品的電鏡檢測圖,從形貌圖上可看到一層層狀物粘附在正常鋁箔上,成分檢測顯示該物質(zhì)為鋁。粘鋁斷帶在所有斷帶樣品中的占比不大,偶有出現(xiàn)。且不具有規(guī)律性。由于粘鋁斷帶具有偶然性,故針對粘鋁斷帶無需采取專門的措施,加強日常的軋制油管理及采用良好的噴淋操作方法即可。3生產(chǎn)環(huán)境3.1環(huán)境粉塵鋁箔生產(chǎn)車間的粉塵沒有特殊性,與一般空氣中的粉塵相似。粉塵的固態(tài)無機物質(zhì)混入輥縫中,如果這些物質(zhì)具有一定的尺寸和硬度,就可能造成鋁箔斷帶。粉塵的主要成分為SiO2、CaO等。較嚴重的缺陷圖如下圖所示,也有單個的SiO2或Al2O3顆粒嵌入鋁箔,造成開裂引起斷帶的情形。解決此類斷帶問題的措施是保持環(huán)境衛(wèi)生和設(shè)備清潔,車間也可灑水除塵。且灑水切勿碰到鋁卷,另外如果車間其它部分有施工,一定需要將施工區(qū)域隔離,避免揚塵擴散。3.2蚊蟲壓入這類斷帶隨季節(jié)性出現(xiàn)的規(guī)律特別明顯,基本只出現(xiàn)在7-10月份蚊蟲最多的時候,形貌圖也比較特別,呈明顯的團聚突出,且有較強的放電現(xiàn)象,成分分析中P、S含量較高,基本符合生物體的成分組成〔生物體成分為C、H、O、N、P、S,掃描電鏡H、N峰較難辨認。避免此類缺陷的措施主要是減少廠房的蚊蟲數(shù)量,具體方法有提高廠房的密封性,禁止蚊蟲進入,裝滅蚊燈消滅已進入的蚊蟲以及廠房角落衛(wèi)生阻止蚊蟲的繁殖。3.3擦劃傷擦劃傷分為通長劃傷和一般擦傷,通常都能引起斷帶,軋輥輥縫附近的各種導板、擋板若操作不當,就可能與鋁材接觸導致擦劃傷,進而引起斷帶。掃描電鏡形貌圖和能譜如下圖：此類缺陷的形貌圖比較典型,擦劃過的鋁箔表面與擦劃傷介質(zhì)呈一定的角度,一般為點接觸擦傷,隨后向兩邊擴張形成大的擦劃痕跡。擦劃痕跡各種特征取決于作用力大小、工具的接觸部位及與客體表面構(gòu)成的角度。從能譜圖可以看出,擦劃痕跡周圍無明顯異物,但能檢測出Fe成分,恰好與軋輥輥縫附近的各種導板、擋板為鋼鐵物質(zhì)相吻合。這類缺陷沒有周期性,也不經(jīng)常出現(xiàn),但出現(xiàn)一卷后一定要及時找到導致擦劃傷的根源,避免批量性質(zhì)量問題。下圖也是常見的通條劃傷電鏡形貌圖。4結(jié)語造成鑄軋生產(chǎn)鋁箔斷帶的原因多種多樣,不可一概而論。生產(chǎn)過程的任何一個環(huán)節(jié)都有可能埋下隱患或直接造成斷帶。應結(jié)合前后工序和生產(chǎn)實際情況分析。運用先進材料分析手段對缺陷樣品進行檢測雖然能直接得出產(chǎn)生斷帶的具體原因,但卻具有時間滯后性和成本較高等局限性,并不能檢測出所有的斷帶原因。對于能檢測出具體原因的缺陷樣品要尤其注意其宏觀特征,總結(jié)規(guī)律。減少所有斷帶的主要措施還是在于日常的原輔材料管控,生產(chǎn)工藝控制及提高員工的操作水平上。參考文獻李俊茂,鮑麗云．鋁箔軋制斷帶原因分析及其預防措施．輕合金加工技術(shù),1998,26<4>:21OzgulK,MuratD.Aluminumfoil:Itstypicalqualityproblemsandtheircauses.JournalofMateralsProcessingTechnology,2007,186:126袁孚勝,鐘海燕,秦富軍等．淺析鑄軋鋁帶坯缺陷產(chǎn)生的原因及解決方法．鋁加工,2009,2:5