鑄軋坯料生產8079鋁合金雙零箔工藝控制要點

周樹德,賀耀文,劉鵬飛,陳長科

(新疆眾和股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

雙零鋁箔的生產技術在我國已經有近40年歷史,并形成了以1235鋁合金和8079鋁合金為代表的雙零箔產品和生產技術體系。當前鋁箔產品的高精度和高力學性能的趨勢越來越明顯,在液體軟包裝、高端電容器和新能源電池等高端領域鋁箔企業迎來機遇。而作為液體軟包材料的8079鋁合金雙零箔是目前新能源電池鋁箔產業的配套產品,本身存在廣闊的市場需求和較高的利潤[1]。隨著市場對8079鋁合金雙零鋁箔需求不斷擴大,對其質量提出了更高的要求。目前生產8079鋁合金雙零鋁箔主要存在表面質量(白道、暗道)和針孔等問題,嚴重降低了產品性能。針對這些問題,簡要說明了合金成分對鋁箔力學性能的影響,并對成分、組織均勻性、表面質量的工藝控制要點以及熔體凈化進行了分析討論,為生產高質量的8079鋁合金雙零鋁箔提供參考。

1 8079鋁合金雙零箔生產工藝流程

當前國內8079鋁合金雙零箔生產所用坯料有熱軋坯料和鑄軋坯料兩種。采用熱軋坯料生產8079鋁合金雙零鋁箔的工藝流程:

熔煉與扁鑄錠鑄造→銑面→均勻化退火→熱粗軋→熱精軋(高溫時效)→冷軋→中間退火 →冷軋→箔軋(粗+中)→合卷→疊軋→分切→成品退火→檢測包裝。

采用鑄軋坯料生產鋁合金雙零箔的工藝具有能源消耗少、成品強度高、生產效率高的特點,目前成為國內主流的生產工藝[2]。采用鑄軋坯料生產8079鋁合金雙零鋁箔的工藝流程:

熔煉→鑄軋→冷軋→均勻化退火→切邊→冷軋→中間退火→冷軋→箔軋(粗+中)→合卷→疊軋→分切→成品退火→檢測包裝。

2 鑄軋坯料生產8079鋁合金雙零箔工藝

國內外主要用1235鋁合金和8079鋁合金生產雙零鋁箔。二者鑄軋工藝相同,主要差別在于熱處理溫度、坯料厚度及各個道次的加工率分配等細節問題。

對8079鋁合金雙零箔而言,國內的8079鋁合金鋁箔坯料厚度有0.36 mm,也有0.24 mm甚至更薄一點的,以國內最常使用的0.24 mm厚8079H14鋁箔坯料為例進行生產工藝(圖1)說明。0.24 mm厚8079H14鋁箔坯料力學性能要求:抗拉強度大于130 MPa,伸長率大于3.0%。

圖1 雙零箔坯料生產工藝流程Fig.1 Production process of double-zero foil stock

依照成品軋制前合卷方式的不同,8079鋁合金雙零箔的軋制工藝流程如圖2所示。對0.24 mm厚8079H14鋁合金雙零箔坯料而言,當前主流的雙零箔加工基本采用四道次軋制工藝,單道次加工率55%～60%;如果加工設備能力較弱,可以采用5道次工藝。

圖2 雙零箔軋制工藝流程Fig.2 Rolling process flow of double-zero foil

對厚度為7 μm的8079鋁合金雙零箔,要求其抗拉強度基本都在80 MPa～100 MPa,伸長率大于1.0%。

3 用鑄軋坯料生產8079鋁合金雙零箔控制要點

3.1 8079鋁合金成分和力學性能

依照國標控制要求看,8079鋁合金與1235鋁合金對很多元素的控制要求都不同,但是在實際控制上,8079鋁合金和1235鋁合金在化學成分的最大差異是Fe含量的不同,其他化學元素的含量與1235鋁合金相同。

通常情況下較高的合金元素含量會降低材料的塑性,容易產生針孔等缺陷,不利于生產較薄的鋁箔;合金元素含量較低的鋁箔具有較高的延展性,較低的抗拉強度;但合金元素含量過低的鋁箔軋制時容易產生粘輥現象,并且易形成針孔。如表2所示,對同樣6 μm～7 μm厚的雙零箔而言,8079鋁合金箔伸長率及抗拉強度明顯高于1235鋁合金箔的。因為Fe可以在強化合金同時細化晶粒,使8079鋁合金箔的抗拉強度和伸長率均優于1235鋁合金[3]。

表1 生產雙零箔用鋁合金鑄錠的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of aluminum alloy ingot (8079/1235) used for producing double-zero foil (wt/%)

表2 1235鋁合金和8079鋁合金箔力學性能對比[3]Table 2 Mechanical property comparison of aluminum alloy foil 1235 and 8079

因為強度和伸長率差異的影響,市場上有用8079鋁合金取代1235鋁合金的趨勢。國內市場對8079鋁合金箔需求在逐漸擴大,需要性能更高的鋁箔才能滿足其使用要求[3]。

3.2 8079鋁合金成分均勻性

相較于1235鋁合金,合金元素含量高的8079鋁合金容易產生成分不均。8079鋁合金成分均勻化控制的核心在鑄軋環節:

1)嚴格控制廢料回配比例。原則上8079鋁合金的回配料總比例不宜大于20%;

2)對熔煉中的攪拌進行有效控制?？紤]到人員因操作條件、技能、體力或勞動態度等原因帶來的不確定性,可以采用電磁攪拌器、永磁攪拌器等以自主控制為主的磁力攪拌技術。攪拌的感應器置于熔鋁爐底部,注意控制鋁熔體不要超過750 ℃,提高攪拌效率,縮短攪拌時間。

3.3 8079鋁合金組織均勻性

對于高合金化的8079鋁合金雙零箔產品,生產工藝不同,鋁箔內部顯微組織、第二相化合物等會發生變化。鑄軋組織的均勻化情況,不僅對材料的性能穩定性產生直接影響[4],還會對雙零箔軋制時的表面質量(白道、暗道)和針孔等造成直接影響[5]。具體的工藝控制核心主要集中在如下幾個方面:

1)雖然目前用在鑄軋生產的晶粒細化劑的種類很多,至少有Al-Ti、Al-Ti-C、Al-Ti-B及Al-Ti-B0.2等多種類型,但是依照業內的反饋來看,Al-Ti-B晶粒細化劑仍是最有效實用的細化劑;

2)通過控制細化劑質量,細化質點的尺寸、形狀和分布來提高細化效果,對Al-Ti-B晶粒細化劑而言,基本要求是保證細化劑晶粒度不大于2級。與晶粒度大于2級的細化劑相比較,使用晶粒度為1級的細化劑,鋁合金組織控制效果更好,也更為穩定;

3)晶粒細化劑存在明顯的時效性:時間越長,TiB2質點的聚集傾向越大。在熔體中加入的TiAl3在8 min～10 min形核效果最好,30 min后細化效果衰退。與合金化程度較低的1235鋁合金不同,8079鋁合金鑄軋時晶粒細化劑在線加入的方式通常采用雙絲喂入法,這種方法在提高了晶粒細化效果同時,能有效地解決晶粒細化劑沉積所帶來的各種問題。另外,有些采用熱鑄軋坯料生產8079鋁合金雙零箔的企業,為了更好地控制板錠起鑄端的組織,除了在開始鑄造時增大晶粒細化劑的加入量外,還會在結晶器底部預鋪細化劑,后者更為有效。

3.4 8079鋁合金力學性能

在成分確定之后,影響8079鋁合金力學性能及其穩定性的因素是鑄軋時的組織控制(重點是第二相的尺寸和分布)和冷加工過程的熱處理。

1)第二相化合物控制

實際生產的雙零鋁箔鑄軋坯料,第二相種類可能有很多種,這主要與w(Fe)/w(Si)值及合金元素含量有關。第二相化合物主要有α(AlFeSi)相、β(AlFeSi)相和θ(Al3Fe)相。8079鋁合金合金元素含量高容易導致鑄軋板第二相化合物分布不均勻,在表層為少而細小的顆粒狀,中間為多而粗大線狀和絮狀。這種情況并不少見,單純的依照冷軋很難消除這種不均勻性,還需要通過后繼的熱處理工序進行補償。對8079鋁合金雙零箔鑄軋坯料而言,在保證鑄軋板晶粒度1級并且中心線偏析不明顯的基礎上,應確保小于5 μm的第二相組織占比超過70%。圖3為8079鋁箔TEM顯微組織。在退火溫度為250 ℃6 h時(圖3a),主要有三種第二相,A為圓棒狀粒子,是析出的βb(AlFeSi)相;B為較大的塊狀粒子,為β(AlFeSi)相;C為細小的圓形顆粒,為α(AlFeSi)相。退火工藝為350 ℃6 h時,α(AlFeSi)相沿位錯線析出,同時粗大的β(AlFeSi)相向細小的“花絮”狀α(AlFeSi)相轉變,在軋制過程中,α(AlFeSi)會隨著基體流動而分散開來,離散分布在基體上,提高了鋁箔的軋制性能[6]。

圖3 8079鋁箔的TEM退火態顯微組織[6]Fig.3 TEM images of the annealed 8079 aluminium foil

2)熱處理工藝與性能控制

8079鋁合金的力學性能比1235鋁合金的高。在成分及鑄軋組織一定的情況下,為了確保8079鋁合金雙零箔在高強度的基礎上獲得高的延伸性能,在進行熱處理工藝設計時,主要考慮以下要點:

8079鋁合金雙零箔坯料從進入冷軋開始主要經過三次退火,除成品退火外,在中間的冷軋過程中有兩次退火,這三次退火的設計原則如下:原則上在鑄軋板冷軋一個道次后進行第一次均勻化退火,退火工藝按完全再結晶工藝進行設計,但是需要適當降低最高溫度，將毛料退火性能控制到O態偏H22的一個適當水平,目的是在實現組織均勻化的同時,保留適當的材料加工強度,以便于最終能夠提高成品的退火溫度,獲得力學性能更高的鋁箔;第二次退火原則與第一次相似,退火溫度應保證鋁箔軋制到成品厚度時的硬態強度大于180 MPa。成品退火以不出現退火起皺為原則,適當提高退火溫度。圖4為0.04 mm厚8079鋁合金箔在不同溫度退火6 h后的SEM組織。退火溫度在400 ℃時,70%的第二相尺寸在1 μm～3 μm之間,細化了第二相尺寸,有利于8079鋁合金箔后續的軋制,提高了8079鋁合金箔的力學性能和軋制性能[6]。

圖4 0.04 mm厚8079鋁箔在不同溫度中間退火6 h后的SEM組織[6]Fig.4 SEM images of 0.04 mm-thick 8079 aluminum foil after intermediate annealing at different temperatures for 6 h

3.5 8079鋁合金熔體凈化工藝

對8079鋁合金這類高合金化的合金來說,熔體凈化[7]非常重要。圖5為一種新型的鋁熔體復合凈化裝置。作為熔體凈化核心的除氣和除渣環節,它基本決定了8079鋁合金雙零鋁箔的針孔數量、大小及其分布特征。

圖5 鋁熔體新型復合凈化裝置Fig.5 New type of de-slagging equipment for melt purification

1)在線除氣

熔體中的氫是造成最終鋁箔針孔、孔洞及斷帶的主要因素。業內標桿企業,尤其是主要面向出口的企業,通過優化除氣工藝和采用更為先進的除氣設備,氫含量已經能夠控制到(前箱)不超過0.10 mL/100 g Al。

2)在線除渣

在除氣的過程中可以除去大部分夾雜物,還需要進行在線過濾除去微米級別的懸浮夾雜物。與2020年前普遍采用板式過濾設備不同,當前行業標桿企業在除渣上的典型做法是“板式過濾+管式過濾”的方法,過濾精度小于10 μm,這套方法不管是用在單面光的雙零箔坯料鑄軋,還是用到雙面光的薄規格(0.008 mm～0.020 mm)電池鋁箔坯料鑄軋,都表現出非常穩定優秀的熔體凈化效果。

3.6 表面質量

8079鋁合金的表面控制與常規的1235鋁合金控制方法基本相同,這里只對鑄軋工序有別于1235鋁合金鑄軋板的控制細節進行簡單說明:不同于1235鋁合金鑄軋卷,8079鋁合金的鑄軋溫度較高,鑄軋時為了防止鑄軋輥粘鋁等異常問題的出現,現場操作人員一般都會調大燃燒布碳的天然氣火焰,這種情況在夏天的時候尤其容易出現,從而導致鑄軋板在冷軋時出現明顯的表面浮灰或者暗道、暗影等表面缺陷,嚴重的時候,這種缺陷直至成品軋制時都不能完全消除。在進行8079鋁合金鑄軋卷生產時,需要特別關注軋輥清潔情況,發現問題及時處理。

4 結 論

1)鑄軋工藝生產8079鋁合金雙零鋁箔關鍵在于保證鑄軋組織的均勻以減少針孔數量,通過嚴格控制廢料回配比例以及細化劑的種類、質量、添加時間來確保成分、組織的均勻。

2)通過熱處理工藝控制使非平衡相轉變為平衡相,控制第二相化合物形態和尺寸,可以獲得力學性能穩定的8079鋁合金雙零鋁箔。

3)鑄軋調大布碳的天然氣火焰會導致鑄軋板在冷軋時出現明顯的表面浮灰或者暗道、暗影等表面缺陷,應保持鑄軋輥清潔。加強熔體凈化,除去鋁熔體中的氫及金屬和非金屬夾雜物,可使8079鋁合金雙零鋁箔的針孔數量減少,尺寸變小。