通过扫描电子显微镜分析铝箔断带的原因.doc

通过扫描电子显微镜分析铝箔断带的原因 义新国* 孟红波 田常娟贵州中铝铝业，贵州 550013*通信作者，E-mail: 287472670摘 要 在对铸轧卷生产的双零铝箔轧制生产长期跟踪的情况下，收集大量断带缺陷样品，通过现代先进材料检测方法扫描电子显微镜对缺陷处进行高倍数形貌分析和能谱成分分析，并结合前后工序情况、来料情况、辅助材料情况、缺陷产生时的实际情况，联动的从理论和实际双层面上分析双零铝箔轧制时断带产生的不同原因。提出了相应的减轻或消除缺陷的措施。关键词 双零铝箔；铸轧；断带；扫描电镜分类号 断带是影响铝箔轧制效率的主要原因之一，断带造成的不良影响有增加停机时间、断带处废料、接头率增加、接头处铝箔质量问题，甚至会有安全隐患1。找到断带原因并制定相应的措施是提高铝箔轧制效率和铝箔质量的关键点之一。扫描电子显微镜是一种先进的现代材料分析技术，可以对铝箔断带缺陷样品进行表面形貌分析和成分分析，从而从本质上弄清铝箔断带的真正原因。本文通过对厚度6um-6.5um，合金成分为1235的200多份铸轧生产铝箔缺陷样品进行扫描电镜分析，初步得出造成铝箔断带的主要原因有：坯料质量（包含铸轧质量、坯料板形、坯料表面质量等）、箔轧工艺（包含轧制参数、轧制油、氧化、轧辊、操作方法）、生产环境（包含车间粉尘、蚊虫、设备油污、划伤等）。1 坯料质量对铝箔断带的影响及对应的解决措施1.1 铸轧熔体质量1.1.1 晶粒细化剂 Al-Ti-B系列的晶粒细化剂以棒状形态加入铝液中，其原始成分为Al3Ti和TiB2相，TiB2的相对分子量比铝熔体大，易沉积大铝液底部，铸轧时被带到铸轧卷表面。同时TiB2粒子会与铝材表面的Al、O等接触成团，形成疏松组织2，在后续箔轧的随着铝材的压薄，疏松组织穿破铝材或形成裂纹源，造成断带。典型的形貌图和成分图如下： 在本次断带样品扫描分析中，检测到含Ti的疏松组织占比较大。所以晶粒细化剂加入不当是造成断带的主要原因之一。解决措施的关键点是控制Al-Ti-B晶粒细化剂的加入速度、加入量和加入点，减少TiB2相的沉积，同时使沉积的TiB2相重熔到铝液中，同时研究新型的晶粒细化剂也有必要。1.1.2 铸轧夹渣净化处理不彻底、铸嘴结渣脱落、铝液转移过程中混入氧化膜、高温炉或溜槽中的耐火材料剥落都是铸轧板中带有氧化铝夹渣的原因3。这类夹渣主要成分为氧化铝，熔点高、硬度且没有延展性，较双零铝箔厚度来说，夹渣的尺寸很大，轧制到较薄厚度时往往刺穿箔面形成裂纹源，再扩展开裂断带。 减少铸轧夹渣断带的主要措施是减少夹渣混入铝板的量，主要有加强熔体净化处理、定期清洁高温炉、注意固定溜槽的内壁剥落情况、定期更换活动溜槽、铸嘴材料和制作工艺改进、一次立板生产卷数控制等。1.1.3 氢含量铝熔体易吸收氢气，且随着温度越高含氢量越大，氢在铝液中以小气泡的形式存在，随着铝液流入铸轧区 并被压入固态铝板内。这种内部残留有微小气泡的铝板，在轧制到一定厚度会进行高温退火和中间退火，其内部的微小气泡就有可能受热膨胀4，随着铝板被轧制的更薄，这些气泡有可能暴露到箔材表面裂开，从而造成铝箔断带。这种断带样品通常检测不到异物或成分异常，典型的扫描图如下： 减少铝液中氢含量是整个行业一直关注和研究的课题，减少氢含量的主要方向就是加强精炼的效果，炉内和炉外精炼都必不可少。目前国内外比较先进的炉内精炼技术有溶剂喷射精炼、透气砖精炼、炉顶吹气精炼、炉侧吹气或固体精炼剂精炼5。1.1.4 中间合金溶解不均匀 在铝水熔炼的过程中，为了达到规定的合金成分，需要加入Fe、Si、Mn等中间合金，一般以Al-Fe合金、Al-Si合金、Al-Mn合金或铁剂、速溶硅或锰剂的形式加入，然后进行充分搅拌。若搅拌操作不当或中间合金质量不达标，导致Fe、Si、Mn等元素不完全溶解。下图为Fe元素溶解不均匀的断带电镜图： 下图为Si元素溶解不均匀的断带电镜图： 选择优质的中间合金原料并加强入厂检测，控制好熔炼工艺，如金属铝水温度和熔炼时间是减少因中间合金溶解不均匀造成断带的两大主要措施。1.2 箔坯质量缺陷箔坯质量缺陷箔轧断带的主要类型有：板型缺陷，箔坯表面质量问题如黑油、氧化、划伤等，原始成分不合理及高温退火造成的粗大第二相等。除表面质量问题有可能被电镜检测出外，其它两类很难检测出。下图为黑油造成的缺陷样品电镜分析图： 当然，不仅是箔坯表面的黑油能造成箔轧断带，箔轧本身过程中带入黑油也可能造成断带。并非所有的黑油混入都能引起断带，较轻微的可能只形成表面黑线，较严重的才会引起断带。据周亚军分析，油泥主要由40%的铝屑、60%的轧制油及其氧化物组成的粘稠状黑色物质6。与本文实际观测到的情形很吻合。缺陷样品宏观上能早箔面上看到明显的黑色物质，能谱检测出铝和轧制油及氧化物的成分。减少油泥缺陷的主要措施有加强轧制油管理，采用优质的轧制基础油和添加剂，提高其稳定性。另外对已生成油泥的轧制油可采取添加极性物质或适量抗氧化剂，增加油品的清洗和分散性能来处理。对于另外两种箔坯缺陷，板型缺陷和成分缺陷，论述的文献较多，此处不做讨论。2 箔轧2.1 轧制工艺 在铝箔过程中，轧制速度和后张力是两个关键的调节参数。轧制速度过大超过一定限制时，轧制区温度会上升使得润滑条件变差，轧辊和铝箔之间的摩擦加大，容易造成断带。而后张力过大或过小都有可能出现斜角、起鼓或折皱等缺陷造成断带7。在轧制缺陷样品的检测中，有一部分样品检测不出异常，这其中有可能就有因轧制工艺不当造成的。根据来料情况调整轧制速度和后张力是主要措施。2.2 轧制油异物压入铝箔轧制采用的是全油润滑，轧制油不仅起到润滑、清洗、冷却等作用，而且轧制过程中产生的氧化物、铝屑、环境中的粉尘以及过滤介质等都可能混入轧制油中，取轧机喷淋管中的轧制油过滤，并对过滤物进行高温处理，处理后的物质呈白色粉末状，对其进行成分分析，主要约为75%Al2O3、10%SiO2、1%Fe2O3及14%其它，硬质Al2O3的来源主要是在一定的轧制压力和变形热作用下，轧件表面的铝与轧辊表面微凸体之间发生焊合并粘附在轧辊表面，随后被冲到轧制油中且一部分被氧化，SiO2主要来自过滤介质中用的硅藻土8。扫描电镜及形貌图如下，除Al、Si外，这类异物通常还附有大量的轧制油。 解决轧制油异物压入造成断带的主要措施是增强轧制油过滤效果，具体要做的是把控好过滤纸、硅藻土、活性白土等原材料的理化指标及储存条件，过滤纸在使用时背面出现漏粒现象，也应跟换新过滤纸。另外对运行中的轧制油要定期进行污染度分析，超出指标时要及时采取措施。2.3 氧化氧化是指在轧制的过程中（包括冷轧和箔轧），部分铝箔表面没有轧制油的覆盖或轧制油本身混入了可使铝氧化的物质，该处表面铝与氧接触形成氧化铝膜。宏观上呈现延轧制方向的，具有一定宽度的灰白色或暗灰色条状缺陷。这类缺陷较轻时形成色差类表面缺陷，较严重时才会造成铝箔断带。氧化膜的成分为氧化铝，不具有延展性，在轧制过程中会裂开，垂直于轧制方向分布，根据氧化膜与其相间的正常成分区域的宽度，可以大致推测氧化产生的道次。成分范围1是正常铝箔表面，氧含量很少，可能是检测误差，无C，成分范围2也是正常的表面，该处表面被裂开的氧化铝膜隔开，形貌有凸凹，所以能检测到少量的C和O，成分范围3为氧化铝膜，O含量最高。成分点/Wt%COAl范围100.2299.78范围22.990.6596.36范围35.610.1884.22231 根据造成氧化的原因可知，减少此类缺陷的办法主要有保证轧制油喷淋的均匀性，不可有喷淋盲区，轧制油成分需均匀，无异常成分。更不可有其它能造成铝氧化的物质混入，如水分等。2.4 轧辊缺陷轧辊是生产铝箔最重要的工具，其主要成分为Fe、Cr及少量的Mn、Mo、V等。轧辊经过磨削、冲洗达到需要的凸度、粗糙度和表面质量要求。如果操作不当，可能出现表面拉毛、灼伤、啃伤等表面缺陷，就可能导致磨削物残留在缺陷处并且在随后的使用过程中进入铝箔表面，由于这些磨削物是轧辊和砂轮的脱落物，硬度很大，极易造成铝箔断带。下图是轧辊缺陷造成断带的扫描电镜图，能谱成分检测压入铝箔的异物与轧辊成分一致，不同尺寸的异物压入铝箔表面造成断带。 防止轧辊缺陷造成断带的主要方法是选择硬度和粒度合适的砂轮，冷却液冲洗要及时充分，控制好磨削参数，避免其他轧辊磨削过程的中异常等9。2.5 粘铝粘铝断带是指在卷取的过程中，两层铝箔之间发生粘连，在下个道次开卷时无法正常分开，造成的撕裂断带。造成铝箔之间发生粘连的可能原因有局部高粘度油混入、局部轧制油老化、喷淋量局部过少等。下图为粘铝断带缺陷样品的电镜检测图，从形貌图上可看到一层层状物粘附在正常铝箔上，成分检测显示该物质为铝。粘铝断带在所有断带样品中的占比不大，偶有出现。且不具有规律性。 由于粘铝断带具有偶然性，故针对粘铝断带无需采取专门的措施，加强日常的轧制油管理及采用良好的喷淋操作方法即可。3 生产环境3.1 环境粉尘 铝箔生产车间的粉尘没有特殊性，与一般空气中的粉尘相似。粉尘的固态无机物质混入辊缝中，如果这些物质具有一定的尺寸和硬度，就可能造成铝箔断带。粉尘的主要成分为SiO2、CaO等。较严重的缺陷图如下图所示，也有单个的SiO2或Al2O3颗粒嵌入铝箔，造成开裂引起断带的情形。 解决此类断带问题的措施是保持环境卫生和设备清洁，车间也可洒水除尘。且洒水切勿碰到铝卷，另外如果车间其它部分有施工，一定需要将施工区域隔离，避免扬尘扩散。3.2 蚊虫压入这类断带随季节性出现的规律特别明显，基本只出现在7-10月份蚊虫最多的时候，形貌图也比较特别，呈明显的团聚突出，且有较强的放电现象，成分分析中P、S含量较高，基本符合生物体的成分组成（生物体成分为C、H、O、N、P、S，扫描电镜H、N峰较难辨认）。 避免此类缺陷的措施主要是减少厂房的蚊虫数量，具体方法有提高厂房的密封性，禁止蚊虫进入，装灭蚊灯消灭已进入的蚊虫以及厂房角落卫生阻止蚊虫的繁殖。3.3 擦划伤 擦划伤分为通长划伤和一般擦伤，通常都能引起断带，轧辊辊缝附近的各种导板、挡板若操作不当，就可能与铝材接触导致擦划伤，进而引起断带。扫描电镜形貌图和能谱如下图： 此类缺陷的形貌图比较典型，擦划过的铝箔表面与擦划伤介质呈一定的角度，一般为点接触擦伤，随后向两边扩张形成大的擦划痕迹。擦划痕迹各种特征取决于作用力大小、工具的接触部位及与客体表面构成的角度。从能谱图可以看出，擦划痕迹周围无明显异物，但能检测出Fe成分，恰好与轧辊辊缝附近的各种导板、挡板为钢铁物质相吻合。这类缺陷没有周期性，也不经常出现，但出现一卷后一定要及时找到导致擦划伤的根源，避免批量性质量问题。下图也是常见的通条划伤电镜形貌图。 4 结语造成铸轧生产铝箔断带的原因多种多样，不可一概而论。生产过程的任何一个环节都有可能埋下隐患或直接造成断带。应结合前后工序和生产实际情况分析。运用先进材料分析手段对缺陷样品进行检测虽然能直接得出产生断带的具体原因，但却具有时间滞后性和成本较高等局限性，并不能检测出所有的断带原因。对于能检测出具体原因的缺陷样品要尤其注意其宏观特征，总结规律。减少所有断带的主要措施还是在于日常的原辅材料管控，生产工艺控制及提高员工的操作水平上。参 考 文 献 1 李俊茂，鲍丽云铝箔轧制断带原因分析及其预防措施轻合金加工技术，1998，26(4): 212 Ozgul K, Murat D. Aluminum foil: Its typical quality problems and their causes. Journal of Materals Processing Technology , 2007, 186: 1263 袁孚胜，钟海燕，秦富军等浅析铸轧铝带坯缺陷产生的原因及解决方法铝加工，2009，2: