銅及銅合金帶材表面質量控制及技術現狀

張文芹　鄭晨飛

摘要：

綜述了目前國內高精度銅及銅合金帶材表面的質量狀況，提出表面物理缺陷和化學缺陷及其概念，描述了帶材表面各種缺陷的形貌特征，分析了缺陷產生的原因及關鍵工序的控制要點；介紹了目前銅帶表面質量控制采用的新技術、新材料及表面缺陷量化等技術的應用現狀.分析表明，高精度銅帶表面質量中起皮、劃傷、擦傷和凹坑等表面物理缺陷是產品質量投訴的主要原因，而影響銅帶表面質量的因素眾多并貫穿于生產的整個過程.加強技術創新和新技術、新材料的應用，提高各工序的產品質量保障能力，同時精細管理、細心操作、采用缺陷量化檢測手段是控制表面質量及提升產品品質的關鍵.

關鍵詞：

高精度銅帶； 表面缺陷； 質量控制； 缺陷量化

中圖分類號： TG 146.1+1文獻標志碼： A

Abstract：

It was summarized the surface quality situation of the high accuracy copper and copper alloy strip in this paper.The concepts of surface physical defects and chemical defects were proposed for the first time.It was described the morphology of a variety of surface defects，analyzed the cause of it and key control points to reduce the defects of surface. It was introduced the new technologies，new materials to control the surface defects，and the using actuality of the surface defects quantizing technology.The results show that surface physical defects，example peeling，scratching，pit and other surface physical defects are major cause of complaints in the quality of copper strip.But there are many factors affecting the surface quality of copper，and in the whole process of production. It is necessary to strengthen technological innovation，use new technology and new materials，and improve the security capability of each process.Simultaneously， fine management，careful operation and use testing method of defect quantification are the key for controlling the standard of surface quality，and promoting products quality.

Keywords：

high accuracy copper strip； surface defect； quality control； defect quantifaction

現代化銅加工與傳統銅加工相比，具有高精度、高性能和高表面質量等顯著特點.在市場競爭日益激烈的今天，用戶對銅及銅合金帶材產品的質量要求越來越高.主要表現在要求高性能的同時，還對表面質量、性能、組織的均勻一致性、板型、殘余應力及產品的外觀、包裝等提出具體要求.特別是高精度帶材的表面質量，已經成為銅帶生產企業越來越重視及影響質量成本的主要問題，并且成為產品進入高端市場的關鍵.在現行國家標準[1]中，對表面質量的宏觀描述已不能完全適應現在市場的質量要求，因此以下幾個方面是擺在銅帶生產企業面前亟待研究和解決的課題：控制板帶材的表面質量，減少擦劃傷、起皮等表面物理缺陷和加強表面清洗和防護，減少氧化變色、腐蝕等表面化學缺陷；提高成品率，減少質量投訴及退換貨；如何量化表面缺陷和采用有效的表面質量檢測方法.

表面質量不但是用戶第一感官的美觀要求，更是下游用戶生產工藝及質量的要求.本文通過對高精度銅帶表面質量及用戶反饋進行統計，對其產生原因、工藝控制要素進行分析和研究，重點指出控制表面質量的新技術、新材料使用、表面缺陷量化等控制技術的使用現狀及效果.

1基本技術概念

表面缺陷是指銅及銅合金板帶材在后續加工、電鍍、沖制（壓）、焊接、封裝等使用過程中，對上述工藝過程產生影響的表面質量問題，統稱為表面缺陷.表面缺陷分為兩大類：表面物理缺陷和表面化學缺陷.表面物理缺陷又稱機械缺陷，是指由于材料內部組織固有或外力等原因引起的板帶材表面產生的缺陷，造成了板帶材表面的光潔性、完整性受到破壞，如表面起皮、擦傷、劃傷、孔洞、氣泡、起刺和凹坑等；表面化學缺陷是指銅及銅合金帶材在加工、精整、包裝及儲運過程中產生的由于外界環境因素或生產過程中殘留的污物，使表面產生一定的化學或電化學反應而造成的銅合金表面失去金屬光澤的缺陷，如氧化腐蝕斑、黑（白）點，水跡、油跡以及工藝介質殘留、反應變質等.

2表面質量對帶材產品質量的影響

圖1為某廠連續兩年（A、B）高精度銅帶各種質量投訴所占的比例統計.圖2為某廠連續兩年（A、B）表面缺陷中物理缺陷和化學缺陷所占質量投訴的比例統計.

從圖1中可以看出，表面缺陷是造成銅合金帶材質量投訴的主要原因.在連續兩年的產品質量投訴中，表面質量引起的投訴占投訴總量的74.3%和79.2%.

從圖2中可以看出，連續兩年質量投訴中，表面物理缺陷分別占缺陷總量的66.7%和67.4%，位于缺陷第一位；而化學缺陷分別占缺陷總量的7.7%和11.7%.說明在表面缺陷中物理缺陷是需要解決的主要矛盾.

2.1表面物理缺陷

在標準[1]中的表面物理缺陷，主要有：起皮（刺）、分層、擦傷、劃傷、孔洞、氣泡及凹坑等.

2.1.1表面起皮（刺）

表面起皮（圖3）為板帶材表面局部或呈帶狀破裂翻起，使帶材表面的完整性和光潔性受到破壞.起皮一般沿軋制方向呈連續或斷續分布，并在起皮處可以觀察到金屬皮與金屬基體之間較為光滑，無黏結，有時存在污染物、夾雜等.引起起皮的原因主要為鑄錠本身存在組織缺陷，如氣孔、夾雜（渣）等[2].

另一方面，熱軋壓合及當軋件表面在前工序受到外來物損傷，如磕碰傷、雜物壓入等，在后續加工過程中造成金屬流動出現斷續而造成.對于鑄錠內部組織缺陷，板帶厚度越小，起皮越容易暴露；同時起皮料經過進一步軋制，會出現壓漏或孔洞現象.

2.1.2分層

板帶材的分層（圖4）是帶材經軋制后在斷面上出現縫隙.它與起皮在外觀上相貌不同，起皮是金屬皮的一端離開了金屬母體（基體），另一端連在基體上；分層是金屬基體層間斷開的一種現象.分層有局部分層和大面積分層，軋制到一定厚度時，分層產生起皮，甚至孔洞.帶材分層的原因主要是由鑄錠的組織缺陷造成的，如鑄錠中的氣孔、疏松和夾雜（渣）等.

2.1.3擦、劃傷

擦、劃傷是由于外來物體（硬質或尖銳）接觸帶材表面并與帶材表面發生相對滑動，或帶材層間發生滑動或錯動而對帶材表面造成的機械式損傷.在生產過程中帶材的擦劃傷（圖5）現象非常常見，存在于帶材精軋及任意后續工序，包括軋機、氣墊式退火、酸堿銑、拉彎矯和分切等.

2.1.4孔洞

孔洞（圖6）是帶材表面的一種目視可見的宏觀缺陷，目視不可或不易看見的孔洞為針孔.其產生的原因均與帶材的起皮、分層和氣泡有關，因此存在起皮、分層和氣泡的板帶材在軋制到一定階段時，均會出現壓漏，造成帶材表面的孔洞.

2.1.5鼓泡

板帶材表面出現沿加工方向的條狀或泡帶狀鼓起，剖開后為一空腔，這種鼓起稱為鼓泡.鼓泡多呈條狀，表面光滑，沿加工方向拉長，剖開后內壁呈光亮的金屬色澤，個別伴有氧化物或其他夾雜.鼓泡大多兩面對稱分布，常出現在較薄的板帶材中.主要產生的原因為鑄錠中存在氣孔、縮孔等缺陷，或是熱處理過程中，爐內氣氛控制不當，或爐溫過高.

2.1.6凹坑

凹坑多為壓傷、壓坑和硌坑等，均為在一定壓力作用下，外來物質對帶材表面產生的損傷.它與生產現場的衛生狀況有很大關系，與帶材表面接觸的任何部位均可能產生，在生產的各個工序均可能出現.

2.2表面化學缺陷

表面化學缺陷主要包括氧化斑、點、介質腐蝕斑、水跡和油跡等.銅的電位是+0.34 V，是電位較正的金屬[3]，與其他金屬相比具有良好的耐蝕性，這也是銅材被應用廣泛的原因之一，但也會發生腐蝕.金屬耐蝕是金屬和合金及其使用環境相互作用的結果，大氣腐蝕是在金屬表面存在薄水膜時發生的[4].特別是在生產現場，空氣中常常存在SO2、H2S和NO2等酸霧氣體，這些氣體會加速銅材表面變色，并與溫度、濕度一起對帶材產生多重影響.

另外，由于帶材在生產過程中接觸多種工藝介質，如乳液、軋制油、酸液、堿液及鈍化液等.這些工藝介質殘留在帶材表面，在一定情況下均會造成帶材的腐蝕.

2.2.1氧化腐蝕斑、點

氧化斑、點（圖7）是產品在空氣中放置自然形成的表面化學缺陷，其形貌特征根據表面鈍化處理情況、放置時間有所不同.輕者為彌散點狀，重者為棕色斑塊.

2.2.2工藝介質腐蝕斑

在銅帶生產過程中會接觸多種工藝介質，如初軋的乳液、精軋的軋制油、氣墊式退火時清洗用的堿液、酸洗用的酸液以及鈍化液等.

在這些工藝介質中，除堿液、酸液會對銅帶產生腐蝕外，乳液、軋制油一旦在帶材表面殘留的時間超過一定的限度，均會對帶材產生腐蝕，形成腐蝕斑.對于鈍化劑，雖然具備鈍化功能，但如果使用的固體鈍化劑在水中的溶解度有限，經常會由于鈍化劑未溶的顆粒附著在銅帶表面，造成銅帶有白點、白斑.圖8和圖9分別為乳液腐蝕斑和鈍化劑斑.

3表面質量過程控制

表面質量控制貫穿鑄錠生產到產品包裝的銅合金板帶生產的全過程；同時表面質量控制又是一個包含技術工作和管理工作的系統工程.因此表面質量問題的分析很多時候都存在不唯一性和不確定性，這為原因查找、措施制定都帶來了一定難度，解決起來很難有立竿見影的效果.因此在板帶材生產過程中，每一個工序都是控制表面質量的關鍵.

3.1鑄錠內部質量

鑄錠內部質量是帶材表面質量好壞的關鍵.據數據統計，在表面物理缺陷中，起皮、分層、孔洞和氣泡已占50%以上.而這些缺陷都與鑄錠的內部質量有很大的關系，多數情況下是由于鑄錠內部存在氣孔、夾渣（雜）、疏松及顯微裂紋等造成的.因此在鑄錠生產中爐料的清潔、干燥，加強熔體的覆蓋和保護以及合理的熔鑄工藝是優質鑄錠生產的必要條件.同時由于帶材的起皮掉渣、孔洞、毛刺等造成銅渣、銅屑黏在與銅帶接觸的輥子、氈布上等，對帶材造成了二次損傷——劃傷等缺陷.

因此，根據合金特性進行鑄造工藝的優化研究（包括原材料使用、熔體覆蓋、保護、工藝穩定性及工藝質量的可追溯性等）及熔體除氣、除渣技術、結晶器涂料的研究和應用，提高鑄錠表面、內部質量及質量穩定性，減少鑄錠氣孔、夾渣（雜）、疏松及組織偏析、顯微裂紋等是減少表面缺陷（特別是物理缺陷）的關鍵問題.

3.2熱軋帶坯及銑面質量

熱軋是加工的首道工序，也是表面質量控制的關鍵工序.在加熱階段，爐內氣氛、溫度、加熱時間及接觸爐底的質量均對帶坯質量有明顯影響.加熱、熱軋工序造成的表面缺陷也較為嚴重，主要表現在加熱延時造成氧化皮偏厚、爐底氧化渣壓入鑄錠及熱軋爆皮效果差等；銑面工序如果銑不凈、漏銑、刀花大等，都會直接引起帶材表面出現起皮、掉渣和孔洞等現象.

控制爐內氣氛、嚴格執行加熱工藝、定期檢查和及時維護爐底，是減少鑄錠嚴重氧化、氧化渣壓入及晶粒粗大的關鍵.在銑面時，銑刀刀片質量、一致性、銑刀的振動以及減少銑屑壓入等都是保證銑面質量的關鍵，同時嚴格銑面工藝，控制銑削速度以解決刀花大等問題.對局部未洗凈的氧化坑等在軋制時應進行打磨修理，以保證帶坯整體質量.另外對銑面的帶材應重視卷取質量，防止層間存在間隙，在吊運等過程中會因層間錯動造成表面劃傷，為最終的表面質量留下隱患.也可以采用層間襯紙或其他耐磨柔性材料（如蛇皮布、無紡布等）的方式減少層間擦劃傷，確保層間滑動對帶坯表面的損傷.

3.3縱剪質量控制

縱剪工序容易產生的表面質量問題主要有表面擦傷、劃傷及邊部毛刺.擦劃傷.一方面與來料的卷緊度及卷取料的張力有關；另一方面由于縱剪的初始張力大多采用氣墊壓板的張力形式，該張力中毛氈或無紡布與帶材直接接觸且為滑動摩擦，因此一旦毛氈或無紡布上黏有銅屑、渣等物均會造成帶材表面劃傷.另外張力輥也同樣會由于黏有銅屑等對帶材造成劃傷.

在縱剪剪切中，帶材邊部會有毛刺，當剪床、剪刃的精度較高，剪刃間隙調整較好時毛刺較小，否則剪切毛刺較大，甚至超過0.1 mm.這些毛刺在通過氣墊壓板毛氈時，可能會由于摩擦力原因殘留在毛氈上，這些毛刺同樣會對帶材表面產生劃傷.另外當剪切工具匹配和調整不合理時，還容易出現剪刃壓痕.剪刃壓痕同樣是用戶不能接受的表面缺陷.

3.4冷軋制質量控制

軋制工序對表面質量的影響主要為化學腐蝕缺陷及輥傷.主要表現為，軋制力過大，冷卻能力不夠造成帶材表面由于溫度過高而氧化，從而影響帶材的表面質量；軋制中使用的介質，如乳液、軋制油等不合格、變質等造成帶材表面腐蝕；當帶材軋制后，中轉時間超過了工藝要求的時間，未及時對軋制料進行下道工序處理，如退火、清洗等，造成乳液或軋制油在帶材表面殘留時間過長，造成帶材表面產生介質腐蝕斑.輥傷是軋輥表面缺陷在帶材表面的復制.

3.5退火及清洗質量控制

退火和酸堿銑工序（包括清洗），產生的主要表面缺陷為化學缺陷，及個別擦劃傷、咯坑等物理缺陷.

3.5.1鐘罩爐退火

為了消除帶材軋制加工硬化，一般在鐘罩爐中進行中間退火.退火時帶材表面均殘留有軋制潤滑劑，可能會由于潤滑劑質量問題（如黏度偏大、灰分超標）在退火過程中造成帶材表面殘碳、殘灰，這些均是銅帶產生表面變色和腐蝕斑痕的根源.

3.5.2氣墊式退火

氣墊式退火主要用于薄帶的退火，較鐘罩式爐退火，其帶材表面質量更優.氣墊式退火有脫脂洗、退火、酸洗、清刷（拋光）、熱水洗、鈍化、烘干等功能.引起表面腐蝕的原因主要有清洗的水中Cl-含量過高、鈍化劑殘留在帶材表面等；另外還會由于清刷工序中刷子質量、清刷壓力等造成表面刷痕.由于氣墊爐工序長，帶材接觸的輥子多，如果輥子表面黏有污物、破損等，帶材表面會產生硌坑、麻點和小鼓包等物理缺陷.

3.5.3酸堿洗（包括清洗）

酸堿洗工序主要是對帶材表面進行清洗，主要有脫脂洗、熱水洗、酸洗、清刷、熱水洗、鈍化和烘干等功能.該工序主要存在帶材表面殘油大、洗不凈、清洗的水中Cl-含量過高及鈍化劑殘留，這些都會造成化學腐蝕斑痕；同時也存在表面刷痕等物理缺陷.

3.6包裝質量控制

為了防止雨淋，銅帶的包裝采用塑料薄膜.由于生產現場環境高溫、高濕，包裝時塑料薄膜將環境氣氛和帶材一起包裝，當溫度降低時就會有水珠凝結，從而產生表面腐蝕（雖然包裝內有防潮劑）；此外塑料包裝也會造成帶材表面產生水汽腐蝕斑痕.包裝材料受潮也會引起帶材的氧化腐蝕.

4表面質量控制技術

4.1熱軋帶坯除磷技術

熱軋帶坯氧化皮壓入是造成帶坯銑削量大、局部銑不凈、氧化坑的重要原因.因此去除熱軋帶坯氧化皮壓入，特別是在熱軋初期將厚的氧化皮暴起、去除顯得尤為重要.在熱軋機上采用金屬鏈式震動、高壓水吹掃的熱軋帶坯氧化皮除磷技術，解決了氧化皮壓入問題，大大減少了由此引起的帶材起皮、空洞等表面缺陷，減少了銑削量，提高了成品率.

4.2同步張力控制技術

帶材成品表面擦劃傷、硌坑等缺陷主要存在于板帶生產的剪切、氣墊式退火以及酸堿洗等加工后期接近成品的工序.因此，一方面要求操作工精細生產，衛生生產，加強責任心；另一方面采用新技術、對設備進行維護、改造.在新技術方面，剪切初張力的建立采用真空箱、真空輥的形式，減少或避免帶材與接觸物體的滑動摩擦，減少氣墊壓板氈布對帶材表面的擦劃傷；在成品卷取時采用恒定張力及張力計裝置，保證卷取張力的穩定，避免出現帶卷卷緊度不均、松卷等造成的擦傷及其他缺陷.由于在生產過程中與帶材接觸的裝置、部件均有可能對帶材產生不良影響，因此清潔處理、破損處的維護、更換等顯得尤為重要.特別是在生產薄軟帶時，帶材接觸的輥子等如果表面不潔凈、或存在破損，就可能造成帶材擦劃傷、硌坑和麻面等現象.

4.3工藝介質腐蝕控制

在帶材生產過程中除了要接觸環境空氣介質外，還要接觸軋制乳液、軋制油品（甚至還有泄露在軋制油中的液壓油等機械油）、堿液、酸液、冷熱水及鈍化液等.這些介質在生產中都有相應的作用和功能，不可缺少.但使用不當也會使帶材表面產生化學缺陷.因此，減少生產環境中的酸霧，控制工藝介質質量十分重要.主要有以下幾個方面.

4.3.1工藝介質指標監控

根據介質不同和使用不同，應對工藝介質進行理化指標的檢測和監控，以滿足使用要求.這些介質不但包括軋制油、乳液、酸液、堿液和鈍化劑等，還包括沖刷水.工藝介質的監控檢驗均要建立相應的管理制度，并通過指標監控及對產品表面的影響，進行優化、修訂使用要求.

4.3.2氣霧收集處理

工藝介質的使用均在一定溫度下進行，均會產生一定氣霧.因板帶材產品要求高精度表面，車間多采用相對密閉的環境，其腐蝕性、潮濕性、油性氣霧對帶材表面的影響不可忽視.因此需對氣霧進行收集處理，以免造成整個生產車間環境的污染，進而產生帶材化學腐蝕.

4.3.3新型工藝介質

選用新型的工藝介質是減少表面腐蝕的重要方法.脫脂劑由固態變為液態，鈍化劑由固態水溶性差變為完全水溶性鈍化劑，軋制油高黏度向低黏度發展等.這些新型工藝介質及介質參數的改進，均在不影響生產使用的情況下，對促進帶材表面質量的提高起到積極的作用，并收到了良好效果.

4.3.4油水分離裝置及技術

在帶材清洗（酸洗）過程中，各種介質箱體中總會有浮油產生，這也是清洗的目的所在.為了防止介質中浮油對帶材的二次污染，需除掉循環使用介質中的浮油.采用油水分離裝置及處理技術，對保證介質符合工藝要求及節能降耗具有積極的意義.

4.4表面潔凈度檢測技術

帶材表面的化學缺陷是由于帶材表面經過清洗等工序后表面不潔凈造成的，如表面清洗不凈等.可以根據生產經驗或目測進行判斷，也可以采用量化的指標進行控制.采用表面污染物殘留密度檢測法[5]和重量法[6]，可以實現帶材表面殘留污染物的量化控制.一般帶材污染物殘留控制在50 mg/m2以內，帶材表面的潔凈度可以達到高精度帶材的標準.

4.5包裝質量控制

為了防止包裝環境對帶材表面質量的影響，可以采用真空包裝的方式.同時在包裝內放置干燥劑，并放置氣相防銹劑，即氣相緩蝕劑，可以為用戶提供使用期限更長的產品.

5表面質量檢測技術

長期以來，表面質量檢測均依靠操作工、檢驗員目視進行觀察和判斷，缺乏統一標準和量化概念.銅帶在一定速度通過時，人工監測會因機列速度高、視覺疲勞等原因造成很多缺陷漏檢，或者沒有統一的標準而被忽視.隨著技術的進步、機列速度的加快以及效率的提高，依靠人工進行表面缺陷觀察和判斷已不能適用現代化生產和高精度產品的雙重需要.以機器視覺為核心的板帶材表面缺陷檢測技術，已成為目前表面缺陷研究的重點[7].該技術主要依托發展迅速的計算機技術、數字圖像處理技術及模擬識別技術[8-10].由于投資及軟件使用效果等原因，目前已在個別銅帶生產企業使用，在行業內還未得到推廣.

另外，一些電子用引線框架材料帶材沖制生產廠家，對用戶提供的銅帶采用顯微鏡進行表面坑點、劃傷等缺陷的大小、深度的量化檢測，對所采購的母帶進行表面微觀缺陷的量化檢測.但由于該檢測設備較為昂貴，國內銅帶生產廠家目前均尚未使用.

6結語

（1） 隨著技術進步和市場競爭日趨激烈，市場對銅帶表面的要求越來越高，銅帶的高表面質量已成為高精度帶材的重要指標.

（2） 影響高精度銅帶表面質量的主要因素是表面物理缺陷.銅帶表面質量的影響因素眾多、并貫穿于生產的整個過程，應加強技術創新，提高各工序的產品質量保障能力，同時精細管理、細心操作也是控制表面質量的重要環節.

（3） 在表面質量控制方面采用新技術、應用新材料也非常重要，如采用帶坯除磷技術、同步張力卷取裝置技術、表面污染物殘留密度的檢測技術及新型液態鈍化劑等，對提高帶材表面質量起到重要作用.

（4） 在線表面缺陷自動檢測技術是高精度帶材生產中表面檢測的理想設備.它實現了帶材表面缺陷的量化，甚至定位、大小和統計等，為產品質量的判定、工藝的優化提供了依據，可大大提高產品的質量信譽.

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（編輯：丁紅藝）