纯Cu 添加量对轧制铝箔坯料组织与性能影响

黎志勇

（1. 广东理工学院智能制造学院，广东 肇庆 526100； 2. 马来西亚国民大学工程与技术学院， 雪兰莪州 410500, 马来西亚）

质量轻且具有良好密封性的铝箔，广泛应用于电子、仪表、食品、包装、建筑等领域，成为工业生产和日常生活中不可缺少的材料，实际应用对铝箔的力学性能和表面等质量提出了更高的要求， 希望性能更好、质量更高、成品率更高[1-4]。 应用在电子、建筑等领域的铝箔，大多是99.0%～99.5%的工业纯铝；应用在铝电容器的铝箔，则是纯度超过99.9%的高纯铝，所以在市场上直接采购到的铝箔，无法直接应用于电容器中，需要采用合适的方法来制备高纯铝。 目前尽管我国在全球铝电容器制造中占据重要地位，但是专用于电容器的铝箔材料质量却较为一般，无论是微观组织结构、力学性能，还是其表面质量，与国际先进生产制备技术仍有较大差距。 在实际工业生产制备中，多是采用向纯铝中添加部分化学元素， 通过改变合金成分，提高纯铝铝箔性能，从而提高纯铝铝箔生产质量。为进一步提升铝箔的质量特别是综合力学性能，多通过增加合金元素例如Cu 来提升铝箔坯料性能[5-10]。为进一步明确Cu 对电容器用铝箔坯料的影响，推动我国铝箔生产质量的提高，将Cu 熔入纯铝中，重点探讨不同的添加量对铝箔坯料组织影响，并分析对力学性能影响，最终总结经验指导生产和研究。

1 试验材料与试验方法

试验所用的原始材料为1A99 工业纯铝，对应美国标准（AA）牌号为 1 199 Aluminum[11]，具体的化学成分如表1 所列。

表1 1A99 工业纯铝的化学成分Table 1 Chemical compositions of 1A99 commercially pure aluminium 单位：质量分数，%

因为少量元素与微量元素总体占比较低，并不会对试验结果产生明显影响，可以正常试验。

将试验材料通过感应加热机，加热到720 ℃高温使其充分熔化，保温30 min 处理后，分别向熔化金属中加入 Al 总用量分别为 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（质量分数）的纯Cu，充分搅拌后，维持在720 ℃温度保温10 min，精炼处理后，将析出熔渣去除，将熔化合金注入磨具内。 静置一段时间， 使金属冷却到室温，每组分浇注5 份样品，并以机械将其轧制成厚度为6 mm 的铝箔坯料， 然后轧制成2.5 mm 厚的铝箔坯料，接着轧制成1.25 mm，最后将铝箔（坯料）轧制成0.6 mm 厚度。 分别将制成的铝箔坯料放置于370 ℃环境中，保温6 h 后，随炉冷却，退火操作后获得最终产物，为了探究退火温度对其组织性能的影响，增加一组加热温度325 ℃，保温6 h，随炉冷却的样。

为充分检测在纯铝中加入Cu 元素制成的铝箔组织变化与力学性能， 采用由日立集团提供TM4000PlusII 台式显微镜， 对铝箔坯料观察其退火前后显微组织。力学性能则是由苏州检卓仪器提供的SHK-A101 材料试验机，针对铝箔坯料在退火处理前后变化完成性能测试。

其操作流程为：先通过铝箔剪切器对铝箔进行剪切，保证切口光滑，以长 170 mm、宽 15 mm 的试样为准，将材料试验机对铝箔样品进行夹紧，以1 mm/min 的速度进行匀速拉伸，在位移时记录样品的载荷变化，在样品被彻底拉断后停止记录。 同时，应用CHANNEL 5.0，对本试验测得信息进行数据分析，提升数据研究质量。 因为本试验仅是添加微量的Cu，所以没有特殊情况，仅以“添加”与“未添加”进行描述。

2 试验结果分析

2.1 纯铝铝箔坯料组织观察

通过光学显微镜对退火处理后未添加与添加不同Cu 含量的铝箔坯料显微组织进行观察，并进行对比，研究具体组织变化。 图 1 是未添加Cu 的铝箔坯料显微组织照片，对于未加入Cu 元素的工业纯铝，退火后，工业纯铝组织中晶粒比较粗大，平均晶粒大小在50 μm 以上， 同时晶粒大小分布不均匀。

图1 未添加Cu 的铝箔坯料370 ℃×6 h 退火后显微组织照片Fig. 1 Microtissue photo after annealing of 370 ℃×6 h of aluminum foil billet without added Cu

图2 所示为不同Cu 添加量铝箔坯料显微组织照片。 从图 2（a）到图 2（e），随着铜添加量增加，轧制铝箔坯料组织中晶粒有变小和均匀化趋势， 且观察到第二相粒子均匀分布于晶界及其附近区域[12-15]，将纯铜添加至工业纯铝内， 在高温作用下，Cu 会与α-Al 固溶体充分结合，产生铜铝合金。 而剩余Cu 则会在高温下， 与Al 进一步反应， 产生第二相化合物CuAl2从Al 基体中析出。观察已加入Cu 元素的铝箔坯料组织，强化相晶粒规格较小，并以等轴方式均匀，使纯铝铝箔坯料具有均匀的组织，稳定提升纯铝显微组织综合性能。

对比图 2（e）与图 2（f），添加 0.5%和 0.6%纯 Cu的铝箔坯料组织中平均晶粒大小都约为10 μm，添加的纯Cu 增加0.1%，但铝箔坯料组织中晶粒细化不明显，晶粒的均匀性也没有明显均匀化趋势，所以，轧制纯铝铝箔坯料中选择添加0.5%的纯Cu 获得更理想的显微组织。

图2 不同Cu 添加量的铝箔坯料370 ℃×6 h 退火后显微组织Fig. 2 Microtissue photo after annealing of 370 ℃×6 h with different Cu additions

2.2 Cu 对再结晶晶粒影响

对于0.6 mm 厚度的铝箔坯料， 在退火处理时，除原本的370 ℃外， 增设1 组325 ℃作为对照组，如图3 所示，未添加Cu 的纯铝冷轧板，其晶粒并没有过于明显的边界波动特征，但是添加Cu 的纯铝冷轧板，其晶粒则可以观察到明显的波动特征，尤其是边部周围，波动特征会更为明显。这可能由于在温度的影响下， 纯铝冷轧板会获得更高的变形率，添加 Cu 后，会使加工硬化率得到进一步提升。 在 325 ℃条件下， 进行 6 h 退火处理，未添加Cu 的纯铝冷轧板并没有完全完成再结晶过程， 应用显微镜仍可以观察到部分区域存在纤维组织, 而其表面位置则具有最多的纤维组织。

图3 0.6 mm 铝箔坯料325 ℃×6 h 退火后显微组织Fig. 3 Microscopic strueture of 0.6 mm aluminum foil billet 325 ℃×6 h

但是，在相同的条件下，添加Cu 的纯铝冷轧板则完成了再结晶化，形成细小的等轴状晶粒,晶粒中可以明显看到第二相的细小弥散。 在结束370 ℃×6 h 退火处理后，未添加Cu 的纯铝冷轧板，应用显微镜可以观察到，其平均晶粒规格约在51.2 μm,而且晶粒也不是完全转化成等轴晶， 长轴与短轴之比约为1.87，晶粒规格并不均匀，其数量保持正态分布，即晶粒规格在40～50 μm 数量最多，其他规格的晶粒数量相对较少。 添加Cu 的纯铝冷轧板的平均晶粒规格约为30.4 μm，而且晶粒基本为等轴晶，长轴与短轴之比约为1.33，晶粒规格同样保持正态分布，但是不同规格的晶粒数量分布相对集中，规格在20～30 μm 的数量最多。 在退火之后，再次结晶化的晶粒规格明显下降，有可能是添加Cu 的纯铝冷轧板的冷轧晶粒规格偏小，存在一定的晶界波动，这导致原本较小的晶界面积获得显著提升， 使晶界周边存在较多的位错塞积，造成晶格畸变概率明显提升，形核区域也有所增加，在这种条件下，形核率得到有效提升，再结晶速度加快，晶粒规格也随之降低。

2.3 Cu 对纯铝铝箔晶粒与组织影响分析

通过光学显微镜对退火处理前后的铝箔显微组织以0.8 μm 进行细致观察，并将两者进行对比，研究具体晶粒与组织影响。 对于未加入Cu 元素的工业纯铝，在退火操作处理后，具有较大规格的晶粒，其数量较多，平均晶粒规格在3.07 m 左右，同时晶粒大小并不均匀， 这种材料应用于铝电容器的阳极铝箔的制备环节，难以保证拥有良好成品质量，所以需要对其展开进一步的研究[5-6]。将Al 总用量的0.5%纯铜添加至工业纯铝内，在700 ℃的高温作用下，Cu 会和固溶体充分结合，产生铜铝合金，使纯铝的性能得到稳定提升；而剩余Cu 则在高温影响下，与Al 进一步发生反应，产生第二相化合物，从Al 基体中析出，保证Al 的纯度不受影响。 观察已加入Cu 元素的工业纯铝，强化相晶粒规格明显下降，大多数的晶粒规格较小，其平均晶粒规格在2.65 m 左右，并以等轴方式均匀分布，这种变化使纯铝拥有均匀的组织结构,稳定提升纯铝显微组织的多方面能力，从而提高纯铝的综合性能。 而且，向纯铝加入Cu，强化相生成速度加快，在相同处理条件下，添加Cu 的纯铝比未添加Cu 的纯铝拥有更多强化相。 大量强化相有效提高材料应用强度，提高纯铝铝箔实用性。 从Al 基体中获得的，其拥有可溶性，可以溶在合金中，让纯铝拥有一定量的合金， 从而达到强化性能的效果，可以稳定提升合金抗拉性能，提高材料应用质量。 所以，将Al 总用量的0.5%纯铜作为添加物，加入工业纯铝中，可以使纯铝内部拥有较多、较大规格的晶粒数量有效缩减，以较小规格的晶粒维持纯铝组织结构稳定性，并有效提高组织均匀性，更符合工业生产需求，这也是我国在工业制备纯铝的主要研究方向。

2.4 Cu 对纯铝铝箔力学性能影响

2.4.1 退火前抗拉强度与伸长率分析

图4 所示为不同Cu 添加量的铝箔坯料抗拉强度曲线图， 本试验将6.0 mm 厚度铝箔坯料轧制成0.6 mm 厚度铝箔，经过4 道次轧制工序，组织内部晶粒在轧制力影响下充分破碎， 大尺寸晶粒变为小晶粒，一定程度上提升了铝箔抗拉性能。 对铝箔坯料展开力学性能方面测试，将数据收集并整理后，分析得出，铝箔在没有添加纯铜且未进行退火处理前，其抗拉强度为145.7 MPa，伸长率为4.3%；在纯铝中加入纯铜制成合金后，产生强化相，稳定提升铝箔力学性能，随着纯铜添加量的增加， 铝箔坯料的抗拉强度增加，纯铜添加量为0.5%时，抗拉强度提升到219.3 MPa，上升幅度为50.5%，Cu 元素会使Al 晶粒组织细化，并保持良好均匀性，稳定提高铝箔抗拉性能。 与此同时，随着含Cu 添加量的增加， 铝箔坯料的塑性却明显下降， 纯铜添加量为0.5%的铝箔坯料伸长率缩减至1.8%，下降了54.3%。

图4 Cu 元素含量与抗拉强度的关系曲线Fig 4 Relationship curve between Cu element content and tensile strength

2.4.2 退火后抗拉强度与伸长率分析

退火前，铝箔坯料经过了多道工序反复处理，铝箔坯料组织晶粒充分破碎，从而使晶粒进一步缩小，晶粒均匀性增加；退火处理后，晶粒均匀性进一步改善。 与此同时，铝箔坯料的内应力增加、塑性降低，如图5 所示，塑性降低会影响铝箔后续轧制的进行。 为使后续轧制道次顺利进行， 提高铝箔的成品率和质量，需要对铝箔进行退火处理，使铝箔内部晶粒实现再结晶，消除加工硬化，降低内应力，恢复铝箔的塑性。 作为处理代价，此时会使铝箔的抗拉性能降低。退火处理后， 铝箔坯料抗拉性能大幅度降低， 含Cu量0.5%的铝箔坯料的抗拉强度为100.2 MPa， 比退火前下降54.3%；伸长率大幅度提升至17.4%，比退火前上升667%。

图5 Cu 元素含量与伸长率的关系曲线Fig. 5 Relationship curve of the Cu element content and the elongation rate

向纯铝中加入纯铜，Cu 元素会于位错周边大量聚集，使位错产生钉扎效应，让原本活跃的晶界迁移行为产生阻滞反应，并有效阻碍晶粒再结晶，限制其进一步长大。 Cu 在高温作用下，会与Al 产生CuAl2合金相，有序分散至合金组织内[16-20]。 弥散对于合金有强化作用，从而提高铝箔的抗拉性能，Cu 添加量为0.5%的铝箔坯料退火后的抗拉强度为100.2 MPa，未加入Cu 的铝箔坯料退火后的抗拉强度为53.1 MPa，上升幅度为88.8%。 Cu 添加量0.5%的铝箔坯料的伸长率为17.4%，未加Cu 的铝箔坯料退火后的伸长率为28.4%，下降幅度降为38.7%。

3 结 论

1）在纯铝中加入Cu，可以使组织细化，缩减晶粒规格，有效提升组织均匀性。

2）向纯铝加入Cu，使强化相生成速度加快，大量强化相可有效提高材料应用强度， 提高纯铝铝箔实用性。 从 Al 基体中获得CuAl2， 其拥有可溶性，在合金中拥有强化效果，可以稳定提升合金抗拉性能。

3） 经过退火处理，CuAl2依然起到加强弥散强化效果，可以大幅度提升铝箔抗拉性能，同时获得良好的塑性。

4）将0.5%纯铜作为添加物，加入工业纯铝中，可以使纯铝内部较大规格的晶粒有效缩减，并有效提高组织均匀性，更符合工业生产需求。

在实际纯铝铝箔生产中，可以适当添加Cu，用于提升铝箔组织均匀度与抗拉性能。