雙零鋁箔孔洞類缺陷原因分析

傅其棟，劉 煜，王喜光

（1.Arconic（昆山）鋁業有限公司，江蘇200241；2.華峰鋁業有限公司，重慶408017；3.涌順鋁業有限公司，云南361006）

0 前言

在鋁箔軋制階段，出現以孔洞為特征的針孔、貫穿孔（或壓漏）、氣道、輥印等缺陷是導致產品質量下降或斷帶的重要原因之一。孔洞類缺陷的基本特征是鋁箔板面可見貫穿的孔，其中針孔是鋁箔特有缺陷之一。其它缺陷在板帶上也同樣存在，只是嚴重程度或要求不同而已。對于6～7 μm厚度的鋁箔產品，每平方米數以千計的針孔并不稀奇，目前用優質的鋁箔毛坯軋制的6 μm 鋁箔針孔可控制在200 個/m2以內[1]。如何在提高生產效率的基礎上進一步減少以針孔為代表的孔洞類缺陷發生率是鋁箔生產技術中重點研究課題之一。

1 研究條件與試樣制備

本文采用國內某廠家提供的由CC 法生產的1235 合金和8079 合金雙零鋁箔坯料，在工業化生產條件下用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡以及能量分散X射線光譜儀，對近幾年生產中發現的鋁箔各種孔洞類缺陷進行了采樣及解剖分析。所取試樣的厚度在6～35 μm 之間。針孔的數量和分布檢查按習慣做法在針孔室中進行確定。隨著技術的進步，目前許多廠家已經實現在分卷機上采用在線激光針孔檢測裝置來檢測直徑大于10 μm的針孔，通過在線實時檢測和自動生成的統計報表，可快速準確地反映出每一卷料的針孔數量、分布、尺寸等信息。

2 孔洞類缺陷的試驗結果與討論

孔洞類缺陷的產生主要來自熔煉的各種雜質如氧化物、硬質元素、H2等，以及軋制工藝和在生產過程中直接帶入的雜質及機械影響等。因為通過水冷旋轉式軋輥可以達到較高的冷卻速率，鑄軋的帶材表面可以迅速凝固，因此，鑄軋的坯料表面比帶材的中心部分有更加細小的晶粒尺寸，而且雜質元素、共晶組織在帶材上呈不均勻分布[1，2]。這些特征對鋁箔的質量可能是有害的，除非坯料的化學成分合理，鑄造、軋制和熱處理工藝參數得當。圖1給出了在鑄軋過程中影響鋁箔孔洞缺陷的主要因素。鋁箔坯料的材質、偏析、化合物、雜質、微氣孔和氧化膜等均是造成針孔和斷帶的主要原因[3，6]。本文重點在冶金質量和表面質量方面進行討論。

2.1 冶金質量的影響

冶金質量主要是指材料在合金化、熔煉、鑄造或鑄軋中的化學成分及其均勻性、合金的純凈度、金屬和非金屬夾雜、有害元素的含量、氣體含量、相組成、金屬間化合物、氧化膜含量、晶粒度的大小及其形態與分布等。本文主要討論偏析、金屬間化合物、氣體含量、夾雜、氧化膜、二硼化鈦等對雙零鋁箔孔洞類缺陷的影響。

圖1 影響鋁箔孔洞的主要因素

（1）金屬間化合物和偏析。在鋁合金中，有的合金元素具有有限的溶解度，在1×××系合金中，Fe和Si是主要的合金元素，由Al-Fe-Si組成這些合金主要的金屬間化合物。鑄軋鋁帶生產過程中可能會出現不同的偏析現象，一種稱為微觀偏析，化合物聚集在柱狀晶晶面上；第二種稱為宏觀偏析或中心偏析，是鑄軋產品中的一個獨特的微觀結構特點，化合物在板中部聚集，形成大塊雜質相區域；第三種為表面偏析，這種偏析在鑄軋板板面上沿軋向呈亮度不同的帶狀分布。偏析過程中的產物—聚集的化合物是鋁箔產生針孔的重要原因之一。在圖2 中能看到由Al-Fe-Si 組成的金屬間化合物導致的針孔。為削弱或消除雜質Fe 和Si 等的有害作用，在鑄軋過程中選擇合適的鑄軋溫度與速度、冷卻強度對Fe、Si粒子的析出是非常重要的。

研究發現，主要從兩個方面考慮：一是盡可能降低鋁中雜質元素含量（效果尚不明顯）；二是設法改善雜質元素的存在形式，使富Fe（Si）相盡可能地變為團球狀等，即變質處理。此外采用加大冷卻速度或均勻化退火等措施也具有一定效果[4]。

圖2 由Al-Fe-Si組成的金屬間化合物導致的針孔

（2）疏松和氣泡。氫是最易溶解在鋁熔體里的氣體。有很多種方法可從熔體中除去氫，如氣體凈化、稀釋或旋轉式脫氣。由于原料、溫度、濕度或除氣不凈等原因，在熔體的凝固過程中，鋁熔體中的氫氣析出以分子形式沉淀，以疏松、氣孔的形式存在，在鑄軋板中形成通長的氣孔叫氣道[1]。隱藏有氫孔隙的帶材在退火工序中孔隙將會造成小氣泡，并朝帶材的表面擴大。氣泡或孔隙本身是鋁箔缺陷的一個源頭，在軋制過程中它逐步裸露到表面，在隨后的軋制步驟中變成碎片脫落。在另一種情形中，孔隙周圍的材料不能抵抗進一步的厚度減少，由于材料不足以彌補延長造成的厚度減少，延伸性能差，于是被軋裂。圖3 為氣泡在鋁箔毛坯上產生輕微的附著層，圖4為氣泡導致的孔洞。在精煉時一定要盡量除氣，轉爐時鋁液流量應適中，避免吸氣。氫含量應控制在0.12 mL/100 g ?Al以下。

圖3 氣泡在鋁箔毛坯上產生輕微的附著層

圖4 厚度6μm鋁箔上氣泡導致的孔洞

（3）非金屬夾雜和氧化膜。在鑄軋過程中，覆蓋在熔體表面的氧化膜（Al2O3）容易受到破壞而混入鋁液，且在雙零箔上形成孔洞。在某些情況下，在氧化膜缺陷區域還發現有鈉鹽和鈣鹽，見圖5。由于氧化膜熔點高，在液態鋁中以固態形式存在，故對金屬的污染較大。如果多孔陶瓷過濾板或金屬處理系統未能很好過濾掉這些氧化膜，這些內生夾雜物很有可能成為鋁箔中孔洞或針孔的來源。選擇具有較好高溫強度和良好孔隙率的過濾材料、合理設計過濾器的結構形式是提高過濾效果的有效途徑之一。對于厚6～7 μm 鋁箔，夾雜物尺寸應控制在5 μm 以下，＞5 μm的夾雜物含量應小于0.003%（質量分數）[5，6]。

（4）鋁鈦硼的作用。鋁箔含有的夾雜物還包括TiB2，這些粒子夾雜物是作為晶粒細化劑組成成分在除氣箱進鋁口通過喂絲機連續添加到熔體中的。 Al-Ti-B 晶粒細化劑是由Al3Ti 相和TiB2相組成的，TiB2的密度比鋁熔體的密度大，因而在鑄造過程中它們趨向于沉淀下來并在底部聚集成團塊。攪拌可以幫助一些TiB2重新加入到熔體流中，然而這種攪動也有一些缺點，比如把氧化鋁薄膜帶入熔體中。進入帶材的TiB2團聚粒子將會引起鋁箔破裂（見圖6），盡管尺寸很小，但相對于團聚粒子而言，在后續的軋制過程，孔的邊緣會朝軋制方向分裂，形成V 形。即使是面積為1 mm2粒子群存在于坯料中，將會被延長幾千倍，產生一系列細密分布的針孔[3]。合理控制晶粒細化劑的進料速率、加入點的位置和有效過濾等是至關重要的防范措施。Ti能細化鑄造組織，而且在軋制時容易產生加工軟化，提高軋制性能。但Ti含量過高（＞0.05%），易產生粗大化合物，使針孔率增加。

2.2 坯料表面質量的影響

在制造過程中，箔材表面易產生因擦劃傷、腐蝕斑痕、金屬或非金屬壓入和松樹枝狀等造成的損傷，這些缺陷在軋制過程中隨著厚度減薄依其嚴重程度而形成大小和數量不等的貫穿孔或針孔[6]。

圖6 引起鋁箔破裂的鈦團聚粒子和硼團聚粒子

（1）表面機械性損傷。擦劃傷是鋁板帶生產中的常見缺陷，主要是由于在軋制工序或精整切邊過程中產生的機械損傷、粘鋁、層間錯動、平面度差等原因造成。輕微的淺表擦劃傷能夠在后續的軋制中完全消除或焊合，而嚴重的擦傷部分會沿軋制方向延長，在繼續壓薄后形成連續的貫穿孔，見圖7。較深的劃傷會形成壓過劃痕缺陷，在后續的加工中容易被污染而無法焊合。機械原因產生的缺陷以一種類似污跡的形式轉化為碎片，當達到了臨界的厚度之后，污跡或碎片從鋁箔上脫落，形成明顯拉長的、長寬比較大的縱向壓漏，進一步壓薄會導致開裂或斷帶。

圖7 厚6 μm 鋁箔上因擦傷產生的連續貫穿孔

（2）松樹枝狀表面。松樹枝狀缺陷是由于壓下量過大、冷卻不良等原因所致。產品在軋制過程中變形不均，產生滑移，使帶材表面產生有規律的松樹枝狀花紋，嚴重時表面凹凸不平。它除了影響表面美觀及綜合性能之外，隨著厚度減薄，還會形成數量和大小不等的針孔[6]。

（3）表面腐蝕斑痕。該缺陷主要是指軋制前由水和鋁起化學反應生成的鋁箔腐蝕斑痕，開始顏色發白，隨著時間的延長逐漸變黑，軋制后形成白色斑痕，嚴重時會引起壓漏斷帶。水的來源通常是軋制油中含有的游離水珠、軋機機體各部位形成的冷凝水滴滴落、加工過程中昆蟲進入、氣候濕熱、坯料、鋁箔放置時間太長等。針對性的解決措施是保證軋制油含水量應小于150×10-6；避免軋機機體存在冷凝水滴；生產現場阻擋或殺滅昆蟲；鋁產品應放置在通風干燥的區域，且放置時間越短越好。

（4）金屬或非金屬壓入。軋制時入口側的碎鋁箔被帶入軋制變形區，造成該區域鋁箔變形不均而壓漏。此外，鋁箔雙合切邊時的毛刺也是鋁屑進入輥縫的途徑之一，圖8顯示了一個切邊毛刺產生的金屬壓入。這些毛刺同鋁箔一起被軋制并產生分層，這些額外的分層使鋁箔變得更薄，最終形成孔洞[6]。

軋制油中的固體小顆粒也是造成鋁箔針孔的原因之一，因此選擇合理的助濾劑及適當的過濾配比是控制軋制油中微小粒子的關鍵。為了闡述由外生雜質造成的損害，模擬試驗將過濾土噴灑在雙合前兩張厚0.015 mm 鋁箔坯料層之間，鋁基體被粒子剪切形成針孔，損害了連續細密分布，類似于晶粒細化粒子所造成的破壞，如圖9所示，但其宏觀外觀難以被肉眼辨別。

所以，在生產管理中改善作業環境、推行清潔生產是減少非金屬壓入來源的重要一環。

圖8 切邊毛刺產生的金屬壓入

圖9 厚7 μm 鋁箔上因固體小顆粒（助濾劑等）產生的針孔

3 結論

（1）冶金質量的偏析、金屬間化合物尺寸、氣體含量、夾雜、氧化膜、二硼化鈦等控制不當均會造成雙零鋁箔孔洞類缺陷。

（2）坯料表面產生因擦劃傷、腐蝕斑痕、金屬或非金屬壓入和松樹枝狀而造成的損傷也是孔洞類缺陷產生的主要原因之一。

（3）為保證坯料的內在和外在質量，須制定出合理的工藝流程及各關鍵工序的工藝要素和參數，保證軋輥的良好狀態和合理的摩擦潤滑條件，嚴格管理并推行清潔生產，這樣才能生產出高質量鋁箔產品，并不斷提高成品率。