制备优质坯料降低双零铝箔针孔度

2015-12-09王继

有色金属加工 2015年1期

王继

(中色科技股份有限公司，河南洛阳471039)

在满足防潮性、阻气性和遮光性要求的前提下，包装铝箔的厚度越小成本越低，因此，90%以上的包装用铝箔采用了双零铝箔［1］。针孔是双零铝箔缺陷中影响最严重的缺陷，0.0065mm的双零铝箔多时每平米会有1000～2000个针孔［2］，通常将每平方米铝箔的针孔数称为针孔度。针孔度与双零铝箔的防潮性、阻气性和遮光性有直接关系，生产高质量双零铝箔必须控制其针孔度。

双零铝箔针孔的成因很多，通过对针孔形态的研究发现，一些针孔的形成与坯料质量有直接关系。且无论是热轧坯料还是铸轧坯料，其质量水平均会对产品的针孔数量有重要影响。由于坯料质量而出现的针孔在箔轧阶段是无法控制的，只有严格控制坯料生产的每一个环节，才能有效降低双零铝箔的针孔度。

1 原辅材料

原辅材料不够洁净，熔炼过程中就会造成熔体内含渣、含氢气量增加，使得坯料含有大量气泡、砂眼等内部缺陷，导致在轧制双零铝箔时出现针孔。

1.1 原料储存环境

生产坯料用的铝锭受潮或被雨淋后表面会形成氧化膜Al2O3和Al(OH)3，水份会吸附在氧化膜上。当氧化膜熔入铝熔体，吸附其中的水分便会与铝熔体发生反应:2Al+3H2O=Al2O3+6［H］。生成的氢容易被铝熔体吸收，导致铝熔体中的含气量增加。所以用于生产坯料的铝锭应存放在干燥区域，必要时可在熔化前进行烘干以排除其吸附的水分。

1.2 废料原料

采用冷轧或箔轧废料制作铝锭时，应注意这类废料中残留的轧制油，如果将废料直接加入熔铝炉，残留的轧制油在分解后会污染铝熔体，且会增加熔体中的含氢量。同时，由于废料较薄、表面积较大，熔炼过程中会造成大量烧损，导致熔体内含渣量增多。如果后续工艺不能有效除掉渣体，最终双零铝箔成品的针孔数量就会成倍增加。因此在熔化有油污的废料之前，应将其预热除去油污和水分，同时将易烧损的薄片废料放置于炉底以减少烧损造渣量。

1.3 各种辅料

各种精炼剂、添加剂和熔剂等辅料的使用要非常严格。精炼剂中含有大量的钾、钠等盐类，如吸潮结块，熔炼时会将水分带入熔体，造成熔体含氢量过高，因此精炼剂要储存在干燥区域，必要时在使用前进行烘干。由于中间合金熔点低且易在铝熔体中快速熔解，通常用作添加剂，但不易使用由废杂铝或低品位铝锭生产的中间合金，以减少进入熔体的杂质量。熔剂由碱金属或碱土金属卤素盐类的混合物组成，要保证正确的成分组成比例，防止铝熔体的二次污染［3］，同时在使用前也要进行干燥，防止因带入水分而污染铝熔体。

2 熔铸质量

铝熔体中大量的气体和杂质，是双零铝箔产生针孔的重要原因。有效的铝液净化、过滤、晶粒细化等措施，是控制双零铝箔针孔数量的必要手段。

2.1 残存的氢

铝及铝合金在高温下与水汽发生反应:2Al+3H2O=Al2O3+6［H］。其中氢以原子或离子状态游离于熔体中，熔体结晶过程中大部分氢会以气态的形式排出。由于氢的逸出与温度、外界压力和气泡成核条件有关，随温度降低所生成的气泡尺寸变小来不及逸出，因此会有部分残存于坯料中。

残存的氢会在组织疏松的地方形成气泡，这些气泡在轧制过程中逐渐被压扁拉平或拉长，沿轧制方向形成连续或断续的气道。这些气道在厚箔轧制阶段不易被发现，但在薄箔特别是双零箔轧制时就会在表面出现成串的针孔，这些针孔沿气道分布且大小不一。这是双零箔产生针孔的主要原因之一，且含氢量越多针孔度越高。实际生产中铝熔体精炼后的氢含量应控制在不超过 0.12ml/100gAl［4］。

2.2 精炼除氢

为满足含氢量要求，需采取有效的精炼除氢措施，将不熔于熔体的高纯度精炼气体加入到熔体中，常用的精炼气体有N2－Cl2或Ar－Cl2。选用N2－Cl2精炼气体，铝熔体中发生如下化学反应:3Cl2+2Al=2AlCl3;Cl2+2［H］=2HCl。2AlCl3、2HCl、N2等均为气态，在熔体中形成气泡。溶解于铝熔体中没有与Cl反应的氢会向气泡中扩散，气泡上升脱离铝熔体后，氢随之排出。

如果精炼气体中含有的水汽及氧气过多就会发生反应:2Al+3H2O=Al2O3+6［H］;4Al+3O2=2Al2O3。熔体中氢的含量增加了，同时由于氢在氧化铝中的扩散系数是铝熔体中的1/10，氧化铝的生成在一定程度上阻碍了氢向气泡中扩散，这样就无法有效地降低熔体中的氢含量。生产高质量的双零铝箔，精炼气体的纯度应达到99.999%以上［5］。

2.3 除杂

在熔炼转注或铸造过程中不可避免地会形成夹杂物，这些夹杂物有脆硬的氧化物和碳化物，也有较疏松的氯化物、氟化物和耐火材料碎屑等。大于5μm的夹杂物使得箔轧时产生条状缺陷，细小夹杂则会使铝箔在双合轧制时形成密集的针孔。如果要生产6～7μm厚的双零铝箔，则夹杂物的尺寸应控制在5μm以下。合理设计过滤器，选择具有优良高温强度和孔隙率的过滤材料，适当增加过滤板的厚度，减缓过滤速度，能有效提高过滤效果。采用孔隙度在20～50ppi范围的泡沫陶瓷过滤板过滤铝熔体除去夹杂物，过滤后夹杂物的含量可降至0.0009% ～0.0036%(重量百分比)，过滤效率可达到50%［5］。

2.4 晶粒细化

2.4.1 细化剂的选择

坯料在熔炼铸造过程中若晶粒过大、出现粗大的麦穗晶时会产生气孔，致使箔轧时针孔数量增多。可添加适量晶粒细化剂，使晶粒组织细小均匀。Ti能细化铸造组织，如果同时添加一定量的B，细化晶粒效果会更佳，生产中常选用Al－Ti和Al－Ti－B中间合金作为晶粒细化剂。其细化机理是TiAl3、TiB2能在铝熔体中起到外来晶核作用，通过增加晶核数量细化晶粒。相较而言，Al－Ti－B中间合金的细化效果更好、时效更长。

2.4.2 细化剂的使用

如将晶粒细化剂直接加入到熔炉内，会造成大量烧损，而且不均匀，细化效果差。为得到最佳晶粒度，得到组织均匀、晶粒细小的坯料，要将优质的Al－Ti－B线杆依照铸造速度连续加入到流槽中，这样既节约了细化剂又能让细化效果最佳化。TiB2易与氧化物聚合，中间合金线杆要插入经过滤的洁净液流内，并且插入部位与结晶器之间要留有合适的长度。但晶粒过度细化会增加轧制过程中的硬化程度，另外Ti、B含量过高会生成粗大的金属间化合物，增加双零铝箔的针孔度。因此，要严格控制晶粒细化剂的加入量。

3 内部组织

3.1 Fe、Si含量及 ω(Fe)/ω(Si)比值

双零铝箔主要采用1×××合金，其主要合金元素是Fe和Si，它们固溶于Al中或以化合物的形式析出。固溶的Fe和Si越多，加工硬化率越大。Si能显著降低Fe在Al基体中的扩散激活能，有利于含Fe化合物的析出。Fe可促进Si析出“净化”Al基体，有利于提高轧制性能［6］。因此坯料的力学性能不仅受Fe、Si含量的影响，还受ω(Fe)/ω(Si)的影响。

Si在Al基体中的固溶度很大并且其固溶量对铝箔轧制的硬化影响最大，增大轧制过程中的变形抗力，在铝箔轧制到较薄时增加针孔数。同时Si含量偏高时易产生Si的晶界偏析，不易使Si充分析出。Fe在Al基体中的固溶度很小，但ω(Fe)＜0.5% ～0.1%时，“净化”Al基体的作用不能充分发挥，而ω(Fe)＞1.3% ～2.5%时将使Al－Fe系化合物变得粗大、材料抗蚀性能下降。ω(Fe)/ω(Si)＜2时，坯料呈脆性不易轧制变形，当在ω(Fe)/ω(Si)的比值大于5时，粗大针片状的FeAl3相会大量增加［7］，导致针孔数随之增多。一般要求坯料中ω(Si)＜0.2%，Fe含量要大于Si含量，同时ω(Fe)/ω(Si)比值控制在2.0～4.0之间。

3.2 合金相及尺寸

双零铝箔的针孔与坯料内部相的组成和尺寸有密切关系，理想坯料中的化合物应以α(FeSiAl)和β(FeSiAl)相为主，FeAl3相的含量越少越好。α(FeSiAl)相是比较理想的铸态化合物，这种相以骨骼状和圆颗粒状为主，易在变形中破碎且较容易在均匀化过程中溶解到基体中。β(FeSiAl)相为针条状化合相，尺寸通常较小对针孔形成影响不大。FeAl3为粗大针片状化合相，在铝箔轧制过程中容易形成裂纹源扩展形成针孔，它是双零铝箔针孔数较多的一个主要原因，要严格控制它在化合物中的比例。

另外，铝箔坯料中粗大的第二相在轧制过程中容易形成裂纹源扩展形成针孔。双零铝箔的厚度只有6～7μm，因此任何大于5μm的粗大第二相均可导致针孔的产生。但坯料中晶粒小于1μm会使加工硬化率提高，塑性变形性能降低。因此，坯料中化合相的尺寸控制在 1 ～5μm 之间［8］。

4 表面质量

存留于坯料表面的擦划伤、起皮、腐蚀斑痕、压入等各种缺陷，在轧制过程中会以拉长的形式继续留在表面。当压下量达到一定程度时，这些缺陷就会随厚度的减薄并依其缺陷的严重程度而形成数量和大小不等的针孔，甚至孔洞。在生产铸轧坯料的过程中，如果轧辊表面粗糙度较大、龟裂严重或有粘铝时，就会在铸轧坯料的表面产生突起物或麻坑等缺陷，这些缺陷在后续铝箔轧制时就会形成针孔［3］。因此，用于轧制双零铝箔的坯料，必须具有优良的表面质量。