3003電解電容器陰極箔用鑄軋鋁合金研究綜述

胡宗喜，崔軍峰，陳雨楠

（中鋁山西新材料有限公司，山西 河津 043304）

1 概述

電解電容器是我國電子元器件的重要產品之一，鋁電解電容器具有比電容高、體積小、重量輕及低成本的優點[1]。電子鋁箔，即電解電容器用鋁箔，作為電解電容器的正負電極使用,約占鋁電解電容器七成的生產成本，是電解電容器產業的關鍵元件[2]。圖1為電解電容器的組成示意圖，其主要由電極引線，鋁殼，和芯部組成，其中芯部為其核心構成，一般由陽極箔，電解紙和陰極箔交疊卷制，電解液包裹于中間。近年來，國內外電解電容器鋁箔生產技術都產生了極大的進步，特別是陰極箔的開發上，在純鋁，鋁錳合金，鋁銅合金，鋁鎂合金等都有所成果，推出了適應不同市場需求的產品。陰極箔作為鋁電解電容器的引出極，其比表面積越大，電容器的比電容越高，而3003鋁合金箔的基體中Al6Mn、Al(Fe,Mn)Si以及Mg2Si在腐蝕時其腐蝕電位與鋁基體有差異，構成了微小的腐蝕原位電池，會產生大量海綿體狀的腐蝕坑,因此增加比表面積而被廣泛用作陰極箔材料[3，4]。本文著重討論3003鋁錳合金陰極箔現有的研究現狀，分析其技術難點，對比不同專利，文獻，對3003鋁合金箔生產過程中具體提高比電容的方法進行匯總比較，為國內生產更高質量，適應市場的3003陰極箔產品提出意見，開拓思路。

圖1 電解電容器結構及組成

2 微量元素設計

在電化學腐蝕過程中，鋁箔的表面積的提升程度是提升鋁箔比電容的關鍵因素。其中，微量元素的存在種類與分布狀態，都會對鋁箔的腐蝕過程與比電容大小產生重大影響[1]。一項專利提出，對3003陰極箔來說，對Cu，Mn，Fe，Si，Mg，Ti以及其他雜質元素的合理控制，都會對陰極箔的比電容和力學性能產生積極影響。這些元素會在鑄軋、均勻化退火以及中間退火過程中對最終成品的質量產生影響[5]。該專利同時指出了不同元素對陰極箔性能的影響。

Cu元素的電極電位高于鋁基體，固溶的銅以及部分析出的金屬間化合物CuAl2會成為腐蝕核心，同時銅具有較強的強化作用。

但是Cu元素在合金中的含量仍需要控制，如果Cu含量過高，很容易在基體中產生較為粗大的腐蝕坑，造成過量腐蝕，反而會對產品的比電容造成不良影響。在Cu含量適中時（0.05～0.2%wt），其產生的點腐蝕非常均勻，Cu元素會降低晶內與晶界的電位差，可以抑制沿晶開裂趨勢，改善合金抗應力腐蝕性能。

Mn元素能將鋁的再結晶溫度提高，其產生的彌散相Mn Al6有著顯著細化再結晶晶粒的作用，Mn Al6的電極電位與純鋁基本相等,所以本身對鋁的抗蝕性能沒有影響。Mn元素在鋁基體中溶解度較低，主要以MnAl6相的形式分布形成腐蝕核心，Mn具有一定的強化作用，隨著錳含量的增加，合金強度提高。但是如果Mn含量過高，將析出粗大的MnAl6相，造成不均勻腐蝕[6]。

Fe元素的添加對合金性能影響也很重要，Fe在鋁基體中的固溶度較低，但是在MnAl6中固溶度比較高，因此常常在基體中生成Al6（Fe，Mn）相，在一定程度上可以減輕Mn元素的偏析導致的晶粒分布大小不均勻現象[6]。但是Fe元素由于會產生FeAl3陰極相，會影響腐蝕性能，導致腐蝕不均勻[7]。

Mg元素是有利于提升腐蝕速度的元素，但是過高的含量會導致鋁箔開裂，因此也需要控制含量[6]。此外B、Ti、Cr、Zr、Zn、Sc等元素會提高合金的抗腐蝕性能，會影響陰極箔的腐蝕所以應該嚴格控制含量[6,7]。

3 鑄造工藝

傳統陰極箔的生產方法是采用熱軋法，需要經歷鋁錠重熔，熱軋冷軋等多道工序，生產過程比較繁雜，能源浪費。近年來，隨著技術進步，鑄軋法逐漸成為主流，這一短流程生產工藝節省了大量的設備投資和能源消耗。其設備簡單，集中，節省了鑄錠、鋸切、銑面、加熱、熱軋等多道工序，生產成本大幅降低，能耗僅為傳統熱軋生產方法的兩成[7]。鑄軋卷的生產工藝為鑄軋卷的生產工藝流程是：熔爐準備→爐料準備→裝爐→熔化→攪拌與扒渣→調整成分→爐內處理（第一次精煉）→轉爐及靜置（第二次精煉）→除氣箱除氣扒渣→過濾箱雙通道雙級陶瓷過濾板過濾除渣→鑄軋成鑄軋卷。

在鑄軋過程中，熔體的含氫量、夾雜、化合物及成分偏析等是陰極箔產生缺陷的重要因素，可能會直接影響鑄軋坯料產生針孔的數量與大小，因此，采取合適有效的鋁液凈化，過濾等措施，是減少此類缺陷的關鍵[8]。

在控制熔體中氫氣和夾雜方面，需采用向電解鋁液通入氬氣或者氮氣進行除氣，氬氣和氮氣會在鋁熔體中產生很多的彌散的氣泡，這些氣泡在上升過程中會充分與熔體接觸，將夾雜帶至液體表面，從而達到除氣除渣。除氣過程中也應嚴格控制轉子速度，轉速不小于200r/min以避免除氣不到位。一般來說，除氣除渣后氫氣含量不應超過0.12mL/100gAL，且20μm及的夾雜物濾去率應大于60%[6,8,9]。有文獻指出，在鑄軋過程中常用的晶粒細化劑為鋁鈦硼絲（AlTi5B），但是當Ti含量高于0.05%時，容易產生粗大且堅硬的化合物Ti2B，很容易形成針孔，所以減少Ti的含量非常重要。因為鋁鈦硼絲具有時效性，加入后10min左右的熔體結晶細化效果較好，若超過半個小時則會大大減弱晶粒細化的效果[10]。

4 熱處理工藝

在陰極箔的生產過程中，鋁箔中常見微量元素的標準點位大多比鋁高，這將會促進表面缺陷附近的鋁原子被腐蝕，產生密集的腐蝕小孔。當微量元素分布均勻時，小孔也會均勻分布，從而會使鋁箔的比電容明顯增長。而合適的退火工藝可以促使材料中的各種微量元素迅速向平衡濃度靠攏，并使這些元素均勻分布[11]。

均勻化退火可以明顯消除鑄軋坯料中Mn的偏析，而且能夠顯著的使第二相粒子細小彌散分布，以提高陰極箔的比電容[12]。

均勻化退火對其組織的影響也會“遺傳”到退火箔材的組織和性能，所以均勻化退火處理是提高陰極箔最終產品質量的關鍵方式[13]。

再結晶退火也是有效提高陰極箔的重要手段。在箔軋階段，大晶粒很容易形成較為粗大的纖維狀組織，這種組織很容易導致腐蝕過程中的分層腐蝕，使得材料減薄。這會讓海綿狀腐蝕層中的部分被分層腐蝕溶解，導致材料的比電容降低，影響材料的性能[14]。一般的，生產陰極箔會選用快速的再結晶退火，這樣可以增加再結晶形核數量，防止產生粗大晶粒，促進比電容提升[15]。

此外，中間退火后的冷加工率與比電容的關系是非線性的，當加工率＞90%時，材料的比電容會明顯提高[16]。

5 總結

3003鑄軋鋁合金陰極箔生產過程中的元素設計，鑄軋及熱處理等環節非常重要，要提高產品比電容及性能，關鍵是將這些核心工藝條件的優化與組合。