鋁合金板材陽(yáng)極氧化材料線缺陷的形成原因及改進(jìn)措施研究

劉 旺，陳 婷，付海朋

（1.重慶國(guó)創(chuàng)輕合金研究院有限公司，重慶 404100；2.東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110004）

0 前言

鋁的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在空氣中會(huì)形成一層致密的氧化膜，可起到隔絕空氣的保護(hù)作用[1]。但此薄膜耐蝕性較差，因此需要進(jìn)行人工陽(yáng)極氧化處理，促使鋁制品表面形成一層致密、高強(qiáng)、耐磨的陽(yáng)極氧化膜[2-3]。陽(yáng)極氧化后的鋁制品美觀耐用，已經(jīng)廣泛用于手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品外殼。但正因?yàn)槠溆糜陔娮赢a(chǎn)品的外觀件，陽(yáng)極氧化后產(chǎn)生的一種線狀缺陷會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。這種線狀缺陷稱為材料線，是眾多企業(yè)希望攻關(guān)解決的重要質(zhì)量問(wèn)題[4-5]。

1 陽(yáng)極氧化材料線形貌及成分分析

采用配有能譜分析儀的Zeiss EVO MA 10/LS 10型號(hào)鎢燈絲掃描電子顯微鏡，對(duì)0.6 mm厚的5052-H32狀態(tài)鋁合金板材陽(yáng)極氧化后出現(xiàn)的材料線進(jìn)行分析，找到原因所在。

光鋁上未見(jiàn)明顯異常的板面，經(jīng)陽(yáng)極氧化后可能出現(xiàn)短道的線條，其形貌如圖1所示。

圖1 陽(yáng)極氧化材料線宏觀形貌

將從不同板材上取得的陽(yáng)極氧化材料進(jìn)行線上掃描電鏡分析，其成分有所區(qū)別，部分含有Al、Mg、O元素，其掃描電鏡形貌如圖2所示，其元素組成如表1所示。

表1 材料線缺陷種類一的元素組成

圖2 材料線缺陷種類一

在部分材料線中檢測(cè)到了較高含量的Ti 元素，其形貌如圖3所示，元素組成如表2所示。

表2 材料線缺陷種類二的元素組成

圖3 材料線缺陷種類二

此外還在少量材料線中發(fā)現(xiàn)含Si量較高的氧化物，其形貌如圖4所示，元素組成如表3所示。

表3 材料線缺陷種類三的元素組成

圖4 材料線缺陷種類三

因此，從多次檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，鋁合金板材陽(yáng)極氧化后的材料線缺陷均是由于有異物夾渣在板面上造成的。

2 材料線形成原因分析

從發(fā)現(xiàn)的材料線形貌及成分來(lái)看，材料線主要是由于異質(zhì)點(diǎn)夾渣在板面上，經(jīng)軋制拉長(zhǎng)，以及陽(yáng)極氧化后缺陷放大顯現(xiàn)出來(lái)造成的。下面分析這些異質(zhì)點(diǎn)的形成原因。

Al、Mg、O夾渣物是含鎂鋁合金板帶材中最容易出現(xiàn)的夾渣物之一。主要是因?yàn)镸g 性質(zhì)活潑易氧化，且MgO 易破壞鋁熔體表面致密的氧化鋁膜，導(dǎo)致熔體進(jìn)一步氧化夾渣[6]。這些MgO 夾渣若不能很好地被在線處理系統(tǒng)過(guò)濾而流入鑄錠當(dāng)中，軋薄過(guò)程中夾渣點(diǎn)可能會(huì)浮凸于表面，并隨著軋制拉長(zhǎng)，從而在陽(yáng)極氧化后形成長(zhǎng)條線狀缺陷。本次發(fā)現(xiàn)Al、Mg、O材料線的5052合金批次其Mg含量為2.3%～2.6%。另外，使用的深床過(guò)濾器全生命周期允許最大金屬通過(guò)量4 000 t，生產(chǎn)此批次合金時(shí)已通過(guò)金屬量超2 800 t，因此可確定是由于過(guò)濾器的過(guò)濾能力下降，使MgO 夾渣進(jìn)入鑄錠中導(dǎo)致了陽(yáng)極氧化材料線缺陷。

含Ti 的材料線中很少發(fā)現(xiàn)伴隨有Fe 元素，因此可完全排除其為軋輥脫落物的可能，確認(rèn)其是在熔鑄過(guò)程中形成的。根據(jù)熔鑄生產(chǎn)特點(diǎn)，含Ti夾渣物主要來(lái)源于熔煉保溫爐內(nèi)加入的鋁鈦中間合金或在線流槽添加的細(xì)化晶粒用鋁鈦硼絲。Ti與B形成的TiB2化合物尺寸較小，一般為1～5 μm，在凝固時(shí)起形核作用[7-8]。陽(yáng)極氧化鋁板對(duì)材料表面的細(xì)膩度要求高，粗晶或個(gè)別大晶粒，容易造成材料表面色差。因此，細(xì)化晶粒是陽(yáng)極氧化鋁板用鑄錠生產(chǎn)的關(guān)鍵，本次生產(chǎn)5052 陽(yáng)極氧化料Ti 含量控制在0.018%~0.025%之間。但TiB2顆粒易聚集，聚集后的TiB2團(tuán)實(shí)際成為了夾渣物的一種。這些團(tuán)聚夾渣物大部分被熔體在線處理過(guò)濾器所過(guò)濾，但有少量的漏過(guò)或是從過(guò)濾器中被熔體沖刷而出進(jìn)入鑄錠中，便成為了大顆粒夾渣物，在后續(xù)的軋制中，成為拉長(zhǎng)的條紋狀，經(jīng)陽(yáng)極氧化后顯現(xiàn)出來(lái)成為材料線缺陷。

含Si的材料線缺陷有兩種來(lái)源：一是在冷軋過(guò)程中，若軋制油清潔度不高，軋制油中懸浮有硅藻土顆粒，則有很大的可能造成含Si異質(zhì)顆粒壓入板面；二是在熔鑄工序中，目前大部分廠家所使用的在線流槽或控流桿等耐火材料的含Si量都較高，在含有較高M(jìn)g 的鋁熔體侵蝕下極易被腐蝕剝落，從而進(jìn)入熔體中形成夾渣物。鑄錠經(jīng)軋制后減薄，導(dǎo)致夾渣物破碎后浮凸于板面之上，也會(huì)形成含Si的材料線。本次發(fā)現(xiàn)的含Si材料線，異物顆粒均鑲嵌于板面之上，斷面中未發(fā)現(xiàn)鑲嵌于鋁板內(nèi)部的異物顆粒，可明確為軋制過(guò)程中的外部異物壓入。

3 材料線缺陷解決措施

針對(duì)材料線形成原因分析得到的結(jié)果，為了解決材料線缺陷，本研究制定了相應(yīng)的解決措施。

（1）含Mg 夾渣是所有含Mg 鋁合金產(chǎn)品中均易出現(xiàn)的缺陷。為了減少這種缺陷出現(xiàn)的概率，在熔煉保溫爐中就應(yīng)該確保熔體的潔凈度。首先需從加強(qiáng)精煉扒渣以及爐組熱清潔工作入手。在生產(chǎn)陽(yáng)極氧化材產(chǎn)品時(shí)，每次生產(chǎn)前熔體表面浮渣應(yīng)該扒干凈。在每鑄次生產(chǎn)完空爐后，應(yīng)對(duì)爐膛內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的熱清理，將爐壁及爐底的積渣扒干凈，這樣可大大提高原始熔體的潔凈程度。其次，在提高原始熔體純凈度的同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)在線處理階段熔體過(guò)濾能力。一般采取的辦法是采用深床過(guò)濾等高等級(jí)的過(guò)濾方式，并加強(qiáng)工藝控制。在生產(chǎn)5052陽(yáng)極氧化料前，深床不允許通過(guò)Mg 含量超過(guò)5052的其他合金，并嚴(yán)格將生產(chǎn)陽(yáng)極氧化坯料的金屬通過(guò)量控制在300～1 500 t 這個(gè)深床過(guò)濾能力較佳的時(shí)期。此外在生產(chǎn)過(guò)程中，還應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)控，輔以在線或離線測(cè)渣儀對(duì)熔體質(zhì)量進(jìn)行定量檢測(cè)和把控。

（2）TiB2團(tuán)聚夾渣也是在熔體中常見(jiàn)的夾渣缺陷之一，過(guò)度減少熔體中的Ti加入量又將造成鑄錠晶粒粗大的問(wèn)題，由此導(dǎo)致中間相化合物粗大也將影響到產(chǎn)品質(zhì)量。因此在實(shí)際的生產(chǎn)中，按減少熔煉保溫爐中鋁鈦中間合金添加量，保證在線處理鋁鈦硼絲加入量的原則，將最終產(chǎn)品Ti含量降低到0.008%~0.015%之間，經(jīng)過(guò)實(shí)踐既保證了晶粒度，又減少了TiB2團(tuán)聚夾渣出現(xiàn)的概率。

（3）含Si 的材料線缺陷控制。在冷軋工序中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軋制油清潔度的把控，軋制油透光率應(yīng)控制在85%以上，同時(shí)對(duì)軋制油膠質(zhì)含量控制在300×10-6以下，以減少含Si異質(zhì)顆粒殘留壓入板面的可能。為提前規(guī)避熔鑄工序產(chǎn)生含Si夾渣，須加強(qiáng)生產(chǎn)中的流槽清潔和與鋁水直接接觸的耐火材料的維護(hù)保養(yǎng)。尤其是當(dāng)流槽開(kāi)裂或破損后應(yīng)及時(shí)更換，否則其破損的縫隙易被鋁液滲入導(dǎo)致裂紋或破損加劇，大量的耐火材料脫落物將混入熔體導(dǎo)致含Si夾渣。此外，在耐火材料的選用中，還可適當(dāng)?shù)乜紤]采用高Al2O3含量的耐火材料，可以有效地抵御Mg元素的侵蝕，減少剝落物混入熔體夾渣的可能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鋁合金板材陽(yáng)極氧化后材料線的分析，得到以下結(jié)論：

（1）鋁合金板材陽(yáng)極氧化材料線主要為含Mg夾渣材料線、含Ti 夾渣材料線及含Si 夾渣材料線三類。

（2）通過(guò)選擇合適的熔鑄工藝控制、把控熔體清潔度、及時(shí)清理維護(hù)設(shè)備以及選用合適的耐火材料，可以杜絕大部分材料線缺陷。

（3）嚴(yán)格控制冷軋機(jī)列油品清潔度，可以進(jìn)一步減少材料線缺陷出現(xiàn)的概率。