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,遼寧 沈陽(yáng) 110004)

鑄錠夾雜物在后續(xù)的軋制和精整過(guò)程中無(wú)法消除,夾雜物問(wèn)題常引起最終產(chǎn)品的功能性失效。因此在熔鑄過(guò)程中形成的夾雜物缺陷極易造成批量廢品,損失巨大,尤其是對(duì)需求量大、要求較高、對(duì)夾雜物缺陷更為敏感的罐體料、CTP版基料損失更大。因此需要對(duì)成品板帶材的缺陷進(jìn)行研究,確定其與熔鑄夾雜物缺陷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

鋁合金夾雜物一般分為兩類(lèi):一類(lèi)是非金屬夾雜物(俗稱夾渣),其成分、形貌與基體金屬存在顯著不同,據(jù)此可判定缺陷是否屬于非金屬夾雜物缺陷;另一類(lèi)為金屬夾雜物,如未溶的細(xì)化劑等。通過(guò)查找?jiàn)A雜物的來(lái)源,改進(jìn)熔鑄工藝,達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 導(dǎo)致成品缺陷的夾雜物缺陷

不同的熔鑄夾雜物缺陷造成不同的成品缺陷,通過(guò)掃描電鏡對(duì)成品缺陷進(jìn)行形貌和成分特征分析,并建立成品缺陷與夾雜物類(lèi)型一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而可以有的放矢地分析問(wèn)題根源并提出解決辦法。

1.1 罐體料因夾雜物引起的缺陷

罐體料針孔缺陷引起產(chǎn)品功能失效。近年來(lái)隨著下游質(zhì)量要求的提高,對(duì)針孔缺陷基本達(dá)到了零容忍。罐體料一般采用3104鋁合金,其Mg含量及強(qiáng)度適中,在軋制廠內(nèi)檢查中很少能在板面上發(fā)現(xiàn)夾雜物缺陷;但在制罐廠沖制過(guò)程中,罐體料鋁合金帶材有一個(gè)變形量較大的減薄拉伸過(guò)程,厚度減薄達(dá)60%以上,若存在夾雜物缺陷,很容易在夾雜物點(diǎn)開(kāi)裂形成斷罐,如圖1所示。若夾雜物尺寸較小,材料雖未斷罐,但可能造成針孔缺陷,如圖2所示。

圖1 罐體斷罐

圖2 罐體針孔缺陷

罐體在沖制過(guò)程中經(jīng)過(guò)高速變形,因此若斷罐則很難準(zhǔn)確地尋找斷裂源,故主要對(duì)針孔形貌和成分進(jìn)行分析。圖2針孔處異物夾雜物主要為Al、Mg氧化物夾渣,其形貌如圖3所示,成分見(jiàn)表1。

表1 罐體料針孔處夾渣物成分

圖3 罐體料針孔處氧化物夾渣掃描電鏡照片

在各種罐體針孔的分析中也發(fā)現(xiàn)了含N的夾雜物,形貌如圖4所示,其成分見(jiàn)表2。N元素來(lái)源可能是熔煉時(shí)形成的AlN夾渣,或是流槽中脫落的大塊BN涂料。

表2 罐體料針孔處夾雜物成分

圖4 罐體料針孔處含N夾雜掃描電鏡照片

1.2 CTP版基因夾雜物引起的缺陷

CTP版基產(chǎn)品由于其使用特性對(duì)材料表面的質(zhì)量要求很高,帶材表面上偶發(fā)的一類(lèi)短道條紋缺陷,必須在光照或是有較大的顏色襯度時(shí)才容易顯現(xiàn)。但此類(lèi)缺陷將影響CTP成品的印刷質(zhì)量,在這些短道條紋中發(fā)現(xiàn)大量的Ti、B元素,如表3及圖5所示。

表3 圖5CTP版基材料線夾雜物成分

圖5 CTP版基材料線夾雜物掃描電鏡照片

在含有少量Mg元素的1110鋁合金CTP版基中,也發(fā)現(xiàn)了含Mg夾雜物的材料線缺陷,如圖6及表4所示。

表4 圖6 CTP版基材料線夾雜物成分

圖6 CTP版基材料線夾雜物掃描電鏡照片

在CTP版基制作到成品后,還曾出現(xiàn)過(guò)感光膠起泡的缺陷,去除已與基體脫離的感光膠后,對(duì)起泡處用掃描電鏡進(jìn)行觀察和成分分析,結(jié)果如圖7及表5所示。起泡處主要含有Ti、V的夾雜物。

表5 圖7CTP版基感光膠起泡夾雜物成分

圖7 CTP版基導(dǎo)致感光膠起泡夾雜物掃描電鏡照片

1.3 易導(dǎo)致成品缺陷的夾雜物情況匯總

通過(guò)對(duì)罐體料、CTP版基坯料中發(fā)現(xiàn)的缺陷分析,確認(rèn)了由夾雜物引起的缺陷以及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。

表6 夾雜物引起產(chǎn)品成品缺陷

2 夾雜物缺陷產(chǎn)生的根源

2.1 含Al、Mg夾雜物

Mg元素性質(zhì)活潑極易氧化,因此在含鎂的鋁合金中均能發(fā)現(xiàn)Mg的氧化物存在,這一特點(diǎn)在使用Prefil-Footprint測(cè)渣儀對(duì)鋁熔體的檢測(cè)當(dāng)中也得到了證實(shí),測(cè)渣儀在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)過(guò)MgO、尖晶石、類(lèi)尖晶石、尖晶石結(jié)晶等多種含Mg的夾雜物。

使用測(cè)渣儀可發(fā)現(xiàn),MgO是直徑幾微米到十幾微米不等的顆粒狀?yuàn)A雜物,因?yàn)榱讲淮?經(jīng)過(guò)反復(fù)軋制減薄后,形成聚集性缺陷并在鋁板表面出現(xiàn)的概率較小。但是持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的高溫熔煉可能使Al2O3和MgO發(fā)生反應(yīng),生成尖晶石夾雜物MgAl2O4,尖晶石夾渣是尺寸較大的塊狀?yuàn)A雜物,且硬度較高,極易造成斷罐、針孔等缺陷[1-2]。

2.2 含N夾雜物

在成品中還發(fā)現(xiàn)了少量的含N夾雜物缺陷。在鋁合金熔煉鑄造過(guò)程中,爐內(nèi)助燃空氣含有大量的N2,雖然N2活潑性比O2低得多,但在高溫下,還是會(huì)有少量的N2和高溫熔融金屬發(fā)生反應(yīng)。一些生產(chǎn)企業(yè)還用以往的老理論,認(rèn)為N2有一定的精煉除氣效果且成本較低,可以作為精煉氣體使用。這些通入的N2也可能與熔體發(fā)生反應(yīng)。經(jīng)測(cè)渣儀在熔煉爐內(nèi)取樣分析,捕捉到有AlN生成,其組織形貌及電鏡面掃描照片如圖8及圖9所示。

圖8 鋁熔體AlN夾渣金相及掃描電鏡照片

圖9 鋁熔體測(cè)渣AlN夾雜物能譜掃描

2.3 含Ti、V夾雜物

在變形鋁合金的生產(chǎn)過(guò)程中,現(xiàn)行的工藝大多會(huì)加入一定量的鋁鈦硼絲,以細(xì)小彌散的TiB2作為結(jié)晶形核質(zhì)點(diǎn),起到細(xì)化晶粒的作用。TiB2顆粒的尺寸一般在1～5 μm,對(duì)熔體來(lái)說(shuō)可以不算夾雜物,但它易聚集成團(tuán)聚物[3]。此外微量元素V會(huì)和Ti、B形成復(fù)雜化合物相，一旦微量元素V的含量在熔體中過(guò)高,可能析出化合物相沉淀形成團(tuán)聚夾雜物[4]。這正是成品板帶材夾雜物中檢測(cè)到較高含量的Ti、V元素的原因。在使用測(cè)渣儀檢測(cè)中,發(fā)現(xiàn)聚集成團(tuán)的Ti、B、V團(tuán)聚夾雜物,如圖10及表7所示。

表7 圖10 TiB2團(tuán)聚夾雜物成分

圖10 TiB2團(tuán)聚夾雜物金相組織

這些小顆粒聚集成團(tuán)的夾雜物在軋制減薄過(guò)程中被拉長(zhǎng),形成不明顯的細(xì)線,降低帶材成品表面質(zhì)量。

正常熔鑄時(shí)添加鋁鈦硼絲的量很少,但在熔煉的原材料廢料比例過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致初始熔體中含有較多的Ti和B元素,且它們?cè)谌蹮捈办o置過(guò)程中有充分的時(shí)間聚集成團(tuán)。

而鋁合金中的V元素一般認(rèn)為來(lái)源于鋁電解過(guò)程,作為電解陽(yáng)極的原料石油焦中含有較高的V元素[5]。品質(zhì)不佳的電解鋁液或鋁錠中,含量較高的V元素與鋁液中的Ti、B反應(yīng)會(huì)生成團(tuán)聚夾雜物。

3 抑制夾雜物的措施

鋁合金高溫熔煉易被氧化,氧化夾雜物在熔煉爐、保溫爐中將持續(xù)堆積,現(xiàn)在熔鑄工藝中扒渣屬于常規(guī)操作,但放干鋁液后的爐膛熱清理工作很多企業(yè)做不到位,氧化夾雜物在再次熔煉過(guò)程中容易燒結(jié)形成危害更大的夾雜物,因此每爐次熱清理爐膛是生產(chǎn)高要求產(chǎn)品所必須的工藝控制手段。

在線處理系統(tǒng)的過(guò)濾對(duì)控制夾雜物起著至關(guān)重要的作用。常用的泡沫陶瓷過(guò)濾片在生產(chǎn)合金化程度低的產(chǎn)品時(shí)可選擇60目甚至更大目數(shù)的過(guò)濾板,且通過(guò)測(cè)渣掌握過(guò)濾片在使用過(guò)程中的除渣率變化情況,過(guò)濾板應(yīng)每鑄次都更換。采用精度更高的過(guò)濾方式如管式過(guò)濾也是減少熔體夾雜物的手段,但高合金化的熔體不適宜采用管式過(guò)濾,否則管組極易堵塞,這種情況采用深床過(guò)濾可獲得較好效果。在生產(chǎn)過(guò)程中,采用在線或離線測(cè)渣對(duì)在線處理過(guò)濾器的工況進(jìn)行監(jiān)控,可避免過(guò)濾失效導(dǎo)致批量質(zhì)量問(wèn)題。

排查熔煉過(guò)程中可能接觸到的含N場(chǎng)景,除采用氬氣精煉外,還要避免超溫熔煉和鋁液長(zhǎng)時(shí)間保溫靜置。BN涂料是生產(chǎn)中常用的防粘鋁涂料,在兌水稀釋過(guò)程中,應(yīng)采用去離子水,且規(guī)定一個(gè)固定的配比值,以免涂抹不均勻?qū)е陆Y(jié)塊掉落至熔體中。

要消除團(tuán)聚夾雜物主要需要控制相關(guān)元素如Ti、V、B在熔體中的含量,V含量控制在120 ppm以下為宜,Ti、B含量則根據(jù)不同的產(chǎn)品用途進(jìn)行控制,如對(duì)團(tuán)聚夾雜物不太敏感的罐體料,因?yàn)樾枰顩_,對(duì)晶粒尺寸要求較高,w(Ti)控制在0.015%～0.025%為宜。而團(tuán)聚夾雜物易造成材料線的CTP版基則、將w(Ti)控制在0.008%～0.012%為宜,并選用含B量低的鋁鈦硼絲細(xì)化劑。鋁鈦硼絲細(xì)化劑品質(zhì)的檢查也是控制此類(lèi)夾雜物的關(guān)鍵點(diǎn),品質(zhì)好的鋁鈦硼絲細(xì)化劑內(nèi)第二相質(zhì)點(diǎn)均勻彌散分布,且很少含有鹽類(lèi)夾雜物。

4 結(jié) 論

1)罐體料針孔缺陷主要是由含Al、Mg氧化物及含N夾雜物導(dǎo)致的;CTP版基材料線和起泡主要是由Al、Mg氧化物和含Ti夾雜物引起的。

2)熔鑄夾雜物主要是熔體高溫氧化生成或由外來(lái)異物混入熔體中形成的。扒渣、過(guò)濾等未能去除的夾雜物就會(huì)在產(chǎn)品中形成夾雜物缺陷。

3)控制Ti、V、B含量,規(guī)范工藝,優(yōu)化過(guò)濾裝置,正確使用鋁鈦硼絲等輔材并保證其質(zhì)量,對(duì)減少夾雜物、提升成品質(zhì)量有較明顯的成效。