铝热轧带材表面黑点黑条产生机理和应对措施

路纪轩，黄东海，徐 曾，孔 军，章国华

(1.好富顿(上海)高级工业介质有限公司，奎克好富顿集团成员，上海 201613；2.河南中孚实业股份有限公司，河南 477100；3.浙江永杰铝业有限公司，浙江 杭州 311222)

热轧带材表面黑点黑条缺陷在铝轧制中是最常见、表现形式最多的表面缺陷，其影响因素众多且复杂，具有彻底根治比较困难、易反复、遗传性很强、对后工序带材质量影响非常大等特点。针对热轧黑点黑条的产生机理进行分析，寻求主要解决办法。

1 铝热轧带材表面黑点黑条的种类及其产生机理

1.1 铝热轧带材表面黑点黑条的本质

正常铝及铝合金带材表面为银灰色，因为表面有一层透明的 Al2O3薄膜覆盖，所以铝及铝合金有比较好的抗大气腐蚀性。铝的粘结性很强，加工时极易粘结在工具上，且温度越高粘结越厉害。轧制铝及铝合金带材时，轧辊表面容易粘结上铝的颗粒及其氧化物。在热轧中辊面形成表面粘铝层，粘铝层可在轧辊表面重叠形成数微米厚的铝薄膜，这种膜是由铝、氧化铝及卷入的轧制油组成的。粘铝膜层过厚或者不均匀时，就会部分剥落并压入铝带表面，经轧制后形成粘铝印痕，粘铝印痕的塑性比铝的低。在轧制的过程中粘铝印痕延伸比铝的小，在拉应力作用下粘铝印痕夹杂被拉裂，使该区域的材料受到破坏，随着轧制道次增多，严重的则越来越长并变成黑条缺陷，轻微的则逐渐消失[1]。另外随着乳液中铝粉不断增多，铝粉、氧化铝等颗粒会逐渐累积，轧制时铝粉与油、油性添加剂、氧化铝等在带材表面形成润滑膜，使得膜过厚并造成油膜不均匀，从而引起带材表面颜色不均匀、粘铝、金属压入等，最终形成带材表面的黑点黑条缺陷。

铝热轧带材表面黑点黑条的本质就是生产时带材表面压入的铝粉、油污及铝粉混合物或者带材表面划伤。

1.2 铝热轧带材表面黑点黑条形成的原因

铝热轧带材表面黑点黑条形成的原因分以下四种：一是轧制的润滑不良造成轧辊严重粘铝形成铝粉持续的剥落压入形成的黑点黑条；二是辊刷使用不足或过量使轧辊涂层过厚或过薄造成铝粉及混合物的不均匀传递和嵌入形成的黑点黑条；三是乳液的循环过滤不良导致乳液铝粉粘附在带材表面形成的黑点黑条；四为机械擦划伤形成的黑点黑条。

1.3 铝热轧带材表面黑点黑条的典型案例分析

5182铝合金热轧带材表面黑点黑条的典型照片及对应的扫描电镜和能谱数据如图1、表1所示。

表1 图1中4个样品的能谱分析数据(质量分数/%)Table 1 Energy spectrum analysis data of the four samples in Fig.1(wt/%)

图1a是润滑不足造成铝粉持续剥落压入带材表面形成的黑点黑条。由于辊缝区局部位置出现润滑失效，造成轧辊与新生成的带材表面直接接触而产生粘着，部分铝粉粘附到辊面。黏附于轧辊表面的铝粉粘附层达到一定厚度就会随着轧制的进行持续地剥落并压入铝带表面。这种剥落后又压入的粘铝印痕在拉应力作用下就会在铝带材表面产生垂直于轧制方向的微裂纹(图1b)，微裂纹处氧化加剧，导致失去金属光泽。从能谱分析结果看，O、Mg含量均为正常值的一倍，且C含量正常，这是典型的粘铝。图1c是辊刷使用过度后由脱落的铝粉嵌入而形成的黑条，从电镜和能谱检测看C、O含量有一定上升，且含有少量的Fe 元素，而Fe的来源为使用的钢丝辊刷。图1e是乳液中含有油的铝粉嵌入形成的黑点，其能谱检测C、O的含量明显更高，是明显的有机物残存碳而形成的。图1g是下表面机械擦划伤形成的黑条，其电镜和能谱检测，O、Fe含量更高，是典型的与带材接触的尖锐物体划伤而造成的。

图1 5182铝合金热轧带材表面黑点黑条宏观形貌及扫描电镜形貌Fig.1 Macroscopic morphologies of black spot and stripe defects on the surface of 5182 aluminum alloy hot rolled strip and their morphologies under scanning electron microscope

2 有效控制铝热带材表面黑点黑条产生的主要措施

铝轧制过程产生铝粉是必然的，热轧铸锭在辊道上运动或形成稳定轧制都离不开铸锭或轧制板坯与辊道、轧辊之间摩擦力，有摩擦力存在必然会产生铝粉。铝粉的出路有以下几点：一部分粘附在轧辊表面，与润滑油一起形成涂层；一部分脱落后漂浮在乳液中，随乳液过滤系统出去，或与乳液中的脂肪酸反应形成金属皂[2](即皂化反应)被过滤掉；一部分粘附在铝带材表面或直接压入铝基体上，形成黑点黑条缺陷。

那么有效减少和控制铝粉产生就成了控制黑点黑条的主要措施。

2.1 减少铝粉产生的措施

2.1.1 建立轧制过程良好润滑条件

在保证轧制不打滑的前提下，提高润滑性能是关键。针对热粗轧和热精轧不同表面质量要求，乳液配置需采用不同的策略：一般中间坯表面质量要求远远低于精轧后的表面质量要求，所以粗轧乳液配置侧重于保证轧辊的咬入能力，建立稳定的轧制，精轧机的目标是获得良好的带材表面质量[3]。

影响润滑的因素：

1)乳液的热分离能力(即热稳定性、油水分离性)。热分离性即油在受热条件下从乳化液中析出的难易程度[2]，当乳液喷射到轧辊表面上时，由于受热乳液的稳定状态被破坏，分离出来的油吸附在轧辊表面，形成润滑膜，起防止粘铝作用，即热分离越好润滑效果也就越好。一般乳液在50 ℃～65 ℃稳定性较好，而在80 ℃～95 ℃时热轧分离性相对较好。图2是8.0%的乳液浓度分别在70 ℃、90 ℃时油水分离后油珠的情况。从照片看同样浓度的乳液在90 ℃时油分离出来聚集的效果要明显好于70 ℃时的，其润滑效果也更好。

图2 不同温度下油水分离后油珠情况Fig.2 Oil droplets after oil-water separation at different temperatures

2)乳液具有较好油性和极压性能。在轧制辊缝区高温、高压、高速条件下，要求乳液除了有较好的油性外(油性是指润滑油中极性分子湿润或吸附于摩擦表面形成边界油膜的性能，吸附能力越强，油性越好，反之越差)，还需要有良好的极压性能来避免极压条件下油膜被压破裂而产生摩擦面粘结和擦伤。

3)适中的乳液黏度。黏度是液体的内摩擦，反应的是流体流动阻力的大小，黏度越大，在变形区的油膜越厚、强度越大，流体摩擦比例增大，摩擦力、轧制力减小，润滑能力增强；但黏度过大，导致带材表面与轧辊表面完全被油膜隔开，金属表面产生粗糙化现象。

工艺因素不同对润滑要求也不同。

根据铝合金软硬不同选择适当的润滑：当入、出口厚度一定时,坯料越软,轧制力也越小，需要的润滑能力也越弱；坯料越硬，轧制力也越大，需要的润滑能力也越强。

道次压下率或机架间的压下率分配对润滑的要求：随着压下率的增加，入口油膜厚度下降，摩擦因数增大进而导致摩擦力增加，增大了带材的磨损[5]，反之则降低带材磨损。所以要根据压下率的增加或减小，适当的增加或减小润滑能力。

适中的轧辊温度(受轧制速度、合金的硬度、乳液冷却流量等多项工艺因素影响)。辊温对润滑影响是双向矛盾的，从乳液油水分离的条件看，希望轧辊温度偏高小；但从油自身黏度随温度增加变小来看，辊温也不能太高。结合现场使用记录对比，辊温控制在80 ℃～95 ℃之内比较理想。某公司通过减少乳液冷却量、提高轧制速度使轧辊温度由60 ℃提高到了85 ℃，黑点黑条缺陷量减少了25%。

轧制速度对润滑的要求：当轧制速度提高，带入变形区的润滑油量增加,油膜厚度相应增加,摩擦因数减小,轧制力、摩擦力相对减小，需要的润滑相应减弱。

适当的轧辊表面粗糙度。轧辊粗糙度越大，轧辊表面微凸起部分的尖峰高度越高,与轧件的接触及粘着区面积越大,摩擦因数越大,摩擦力、轧制力也越大,从而磨损越大[6]，对润滑的要求也较高。

2.1.2 建立良好的轧辊铝粉粘附层

轧辊和轧件都经受高温、高压和摩擦作用，一部分铝粉被积累，在辊面上形成包括铝、铝氧化物和轧制油的薄膜，以铝氧化物为主要成分。轧辊和带材之间的摩擦在很大程度上取决于这层粘附层的状况。一般来说，当粘附层较厚时，咬入特性增强。但是，由于轧制负载的增加或者粘铝的掉落，导致轧辊表面铝粉粘附层的不均匀传递和嵌入，使其产生表面黑点黑条缺陷；反之，当粘附层太薄时，光滑度增加，而咬入困难，或容易滑动，往往轧制不稳定。因此，厚度适中、坚固的铝粉粘附层是减少黑点黑条的关键。含油的坚固的铝粉粘附层避免了轧辊与带材表面的直接接触，减少了粘铝[2]。

影响轧辊铝粉粘附层的因素：

合金种类对轧辊铝粉粘附层的影响：当出、入口厚度一定时，坯料越硬，其轧制力越大，变形区温度也越高，带材与轧辊粘结的程度越重，轧辊粘附层形成就较快且较厚；坯料越软，轧制力越小，变形区温度越低，轧辊涂粘附层形成就较慢且较薄。

轧辊温度和轧制力对轧辊粘附层的影响：辊温越高、轧制力越大，轧辊粘附层涂敷较快且较厚；辊温越低、轧制力越小，轧辊粘附层就越难形成且较薄。

辊刷使用要素对轧辊粘附层的控制：在轧制时，辊刷可以有效控制轧辊表面粘附层厚度及其均匀性，使辊面铝粉粘附层处于一个理想稳定状态。其影响因素包括刷痕宽度、辊刷速度、喷射冲洗条件、震荡频次、辊刷材质(钢丝刷与尼龙刷)。某公司通过优化配置控制辊刷使用要素，使每月的黑点黑条缺陷减少了35%。

2.2 有效去除乳液中的铝粉

1)霍夫曼真空过滤法

其原理是在真空负压的作用下，悬浮液中的液体透过过滤布被抽走，而铝粉等固体颗粒则被介质所截留，从而实现乳液和铝粉的分离。真空过滤机是应用表面过滤机理，当悬浮液中的液体流向过滤介质时，大于或者是相近于过滤布孔隙大小的铝灰等固体颗粒会首先以架桥的方式在滤布表面形成初始层，该层可截留更小的铝粉颗粒，因此不断沉积的铝粉等固体颗粒便逐渐在初始沉积层上形成具有一定厚度的滤饼，实现了乳液中铝粉的清除[8]。

2)浮油撇除法

目前撇油的方法分为三类：一是吸附刮除法，如金属原盘、皮带或钢带撇油机。二是表面吹扫溢法，如旋转船式、手动圆浮桶、升降船式浮桶。三是在线专用撇油。基本原理：乳液在运行或静止过程中没有充分乳化的油滴在上浮过程中，利用吸附原理(油的黏度比水大很多)将细小铝粉吸附在油滴的表面，当然油滴比较铝粉大时，铝粉也能进入油滴内部，随浮油一起给予清除。该方式是有效去除小于过滤系统精度的铝粉的办法之一。

3)脂肪酸皂化反映法

利用乳液油水分离后油滴中的脂肪酸与细小铝粉反应产生金属皂。

3 结束语

铝热轧带材表面的黑点黑条曾是某公司表面质量的重大缺陷问题。可采取的有效措施：1)通过优化轧制工艺参数，合理控制乳液喷射量和轧制速度来提高轧辊温度，实现乳液良好的热分离；2)优化轧辊磨削工艺控制辊面粗糙度；3)合理控制辊刷的使用要素来建立了良好的轧辊涂层；4)多种形式的撇油方法配合使用。采取多种措施后带材表面的黑点黑条缺陷得到了有效控制。