楊立民

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司 龍口南山鋁壓延新材料有限公司, 山東 龍口 265706)

3C電子產(chǎn)品對鋁合金帶材表面質量要求越來越高，屬于高表面質量產(chǎn)品。特別是部分3C產(chǎn)品經(jīng)過陽極氧化后，鋁材表面缺陷將全部顯現(xiàn)出來，缺陷嚴重時將會影響到產(chǎn)品的外觀質量甚至報廢。手機行業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度非常快，對產(chǎn)品表面質量要求也越來越來嚴格。手機外殼表面質量中與鋁材有關的兩個重要表面缺陷是材料線和料紋，這兩個缺陷在鋁加工企業(yè)目前也很難做到“零缺陷”或者徹底解決，只能將這兩個缺陷控制到很低的范圍，從而減少廢品率造成的損失。

鋁制手機外殼表面料紋是經(jīng)過表面拋光、噴砂和陽極處理后，在鋁材表面留有條狀、塊狀黑色的斑跡，其大小、長度和位置不固定，甚至布滿整個手機外殼表面，嚴重影響到手機殼表面質量。文章通過對料紋缺陷進行掃瞄電鏡 (SEM)和能譜儀(EDS)分析，根據(jù)分析結果，制定了相應的改善方案。

1 樣品分析

鋁合金手機外殼的工藝流程為，進料—沖制—CNC加工—拋光—噴砂—陽極著色—組裝。鋁材在CNC工序前保持軋制態(tài)表面，拋光和噴砂工序各去除表面厚度約10μm。手機外殼的顏色是通過陽極氧化的方式進行不同著色處理，“土豪金”是手機殼中對鋁材表面要求很高的產(chǎn)品。本試驗將客戶提供的 “土豪金”樣品上的料紋缺陷進行分析，并通過能譜儀(EDS)對基材進行分析，確定5252合金化學成分(質量分數(shù)，%)為，Si≤0.08，F(xiàn)e≤0.10，Cu≤0.10，Mn≤0.10，Mg 2.2～2.8，Zn≤0.05，V≤0.05，其它單個0.03，其它總計0.10，Al余量。

圖1是客戶提供的“土豪金”宏觀樣品，圖1(a)是局部表面料紋，圖1(b)局部光學60倍的放大，觀察表面情況。

圖1 料紋缺陷Fig.1 Streaks defects

圖1(a)中的缺陷1，使用SEM對手機殼表面放大400倍進行觀察，表面沿軋制方向呈現(xiàn)凹凸不平并有深色點狀分布(圖2(a))。使用EDS對表面形貌及典型元素分布情況分析見圖2(b)，圖中綠色部分主要成分是鋁，綠色中嵌入團狀小塊的紅色部分主要成分是氧元素。表面放大800倍化合物見圖2(c)，截面放大200倍晶粒情況見圖2(d)。

圖2 樣品表面和截面分析1Fig.2 Sample surface and section analysis 1

圖1(a)中的缺陷2，使用SEM對手機殼表面放大400倍進行觀察，表面沿軋制方向呈現(xiàn)凹凸不平(圖3(a))相比圖2(a)較輕。使用EDS對表面形貌及典型元素分布情況分析見圖3(b)，圖中綠色部分主要成分是鋁，綠色部分中條狀或小塊狀的紅色部分主要成分是氧元素。表面放大800倍化合物情況見圖3(c)，截面放大200倍晶粒情況見圖3(d)。

圖3 樣品表面和截面分析2Fig.3 Sample surface and section analysis 2

圖1(a)中的缺陷3，使用SEM對手機殼表面放大400倍進行觀察，表面沿軋制方向呈現(xiàn)明顯凹凸不平(圖4(a))與圖3(a)相比條狀更明顯。使用EDS對表面形貌及典型元素分布情況分析見圖4(b)，圖中綠色部分主要成分是鋁，綠色部分中有條狀呈紅色部分主要成分是氧元素。表面放大800倍化合物情況如圖4(c)，截面放大200倍晶粒情況如圖4(d)。

圖4 樣品表面和截面分析3Fig.4 Sample surface and section analysis 3

圖1(a)中的缺陷4，使用SEM對手機殼表面放大400倍進行觀察，表面沿軋制方向呈現(xiàn)凹凸不平見圖5(a)。使用EDS對表面形貌及典型元素分布情況分析見圖5(b))，圖中綠色部分主要成分是鋁，綠色部分中分布不均勻的紅色部分主要成分是氧元素。表面放大800倍化合物情況間圖5(c)，截面放大200倍晶粒情況見圖5(d)。

圖5 樣品表面和截面分析4Fig.5 Sample surface and section analysis 4

2 原因分析

通過對以上樣品缺陷部位的表面和截面分析，可以排除軋制表面組織、顯微組織、晶粒組織對料紋缺陷造成的可能性。缺陷部位表面均存在凹凸不平的現(xiàn)象與軋制方向一致，缺陷部位主要是鋁和氧元素，一部分氧元素成條狀、塊狀聚集與軋制方向一致，一部分氧元素分布無規(guī)律，從氧元素分布和密集程度及缺陷形貌可以看出，這是軋制過程中熱軋工序產(chǎn)生的粘鋁缺陷。

熱軋粘鋁層形成機理為，帶材在熱軋輥縫之間受大軋制力、大變形量及高溫和高速的運行條件，噴射到輥縫之間的潤滑乳液，因化學活性使油從乳液中分離出來，在軋輥運行過程中，使帶材表面形成一層均勻的油膜，從而防止帶材表面直接與軋輥表面接觸。在軋制力作用下，軋輥將軋制力傳遞到軋輥表面的油膜上，油膜與帶材接觸，使帶材產(chǎn)生塑性變形。在帶材塑性變形過程中將產(chǎn)生摩擦，帶材表面部分脫落的鋁粉和氧化物與輥縫之間的潤滑油發(fā)生化學反應并轉移到軋輥表面形成一層細密的粘鋁層。軋輥表面粘鋁層的質量將會影響帶材的表面質量，軋輥在軋制力的作用下不排除粘鋁層上的鋁粉等氧化物脫落被壓入到帶材表面。

3 改善方案

鋁材主要影響陽極表面質量因素有：(1)化學成分的影響，為改善鋁合金的力學性能和化學性質，通常在鋁中添加少量的銅、硅和鐵，在進行堿侵蝕處理后鋁首先被溶解，而銅、硅和鐵則留在表面形成“灰”，導致陽極氧化膜不均勻，影響氧化膜的反射率、顏色和耐蝕性[1]；(2)外來雜質的影響，在軋制中產(chǎn)生的“金屬亮紋”、“尾端痕”、“條痕”在陽極氧化后變得明顯[2]；(3)軋制加工過程的影響，經(jīng)軋制后鋁的晶粒尺寸和形狀發(fā)生變化，再經(jīng)堿侵蝕處理后由于擇優(yōu)侵蝕使得其表面粗糙，影響氧化膜的質量[3]。

從樣品缺陷形貌特征和分析結果確認此缺陷產(chǎn)生產(chǎn)的原因，同時根據(jù)熱軋粘鋁層形成的機理，軋輥表面粘鋁層的厚薄及均勻性與潤滑條件、軋制條件、軋制工藝等因素有著密切的關系，改善方案分別從常規(guī)工藝和軋輥鍍鉻工藝進行論述。

3.1 常規(guī)工藝改善方案

(1)乳液潤滑。乳液作為熱軋的潤滑劑有很多指標需要關注，如乳液濃度，疏水粘、脂肪酸、乳液顆粒尺寸和pH值等，這些指標都會影響軋輥表面的粘鋁層，也會影響帶材的表面質量。乳液質量管控的好壞也能反應出帶材的表面質量情況。

(2)軋制溫度。帶材入口溫度和軋制速度會對帶材出口溫度有一定影響，入口溫度高軋制速度快，必然會導致帶材出口溫度高，溫度高會影響到乳液的潤滑效果，也會影響到軋輥表面粘鋁層的質量。

(3)道次分配。各道次之間的加工率要合理分配，加工率太大，帶材的變形熱增加，會提升帶材溫度，帶材溫度升高會影響輥縫之間的乳液油膜強度下降，帶材與軋輥之間的潤滑變差，最終會導致軋輥表面粘鋁層質量變差。

(4)軋輥粗糙度。粗糙度越大表面粘鋁層會變的越厚，粗糙度小會導致表面粘鋁層薄。

(5)刷輥質量。隨著軋制量的增加，軋輥表面的粘鋁層也隨之發(fā)生改變，粘鋁層會越來越厚甚至不均勻，這直接影響到帶材表面質量。使用刷輥不定期對軋輥表面進行清刷，以保持良好的粘鋁層表面。刷輥本身質量(如刷輥的材質、直徑、硬度、壓力等)也會影響到帶材的表面，刷輥使用不當會對軋輥表面粘鋁層造成影響。

3.2 軋輥鍍鉻改善方案

軋輥鍍鉻是將使用的工作輥磨削到工藝要求條件，通過電解鍍鉻的方法在軋輥表面鍍上一層5μm～15μm的鉻層，鉻層的厚度可以根據(jù)軋輥軋制帶材的要求確定。實踐證明，電鍍工藝對軋輥表面粗糙度會造成影響，鍍鉻后可以增加或減少軋輥表面原有粗糙度Ra、Rpc、Rz[4]。軋輥表面鍍鉻后，需要保持軋輥表面原有指標不發(fā)生改變。

軋輥表面鍍鉻后的優(yōu)點：(1)軋輥鍍鉻層可以提高軋輥表面硬度，根據(jù)工藝要求可以選擇鍍鉻層的厚度，厚度增加硬度也隨之增加(維氏硬度可以提高50HN～200HN)，因硬度提高，可以延長軋輥每一次的使用時間；(2)軋輥鍍鉻層耐磨性好，摩擦系數(shù)小，可以減少鋁粉的產(chǎn)生；(3)輥軋鍍鉻層耐熱性好，在軋制溫度低于500℃時，軋輥的硬度不會發(fā)生改變，表面仍保持鍍鉻層的光澤，可以提高帶材表面質量；(4)軋輥鍍鉻層化學穩(wěn)定性好，軋制時不易與乳液發(fā)生化學反應，可以減少粘鋁發(fā)生的機率。

崔勇等研究表明[5]，軋輥表面鍍鉻層可以增加軋輥表面與帶材表面之間的油膜厚度，減少帶材與軋輥之間的磨損，同時軋輥表面鍍鉻層在軋制過程中可以降低金屬間的摩擦系數(shù)。使用鍍鉻輥軋制時，帶材在塑性變形過程中，因油膜厚度增加，摩擦系數(shù)變小，帶材表面鋁粉脫落量也隨之減少，軋輥表面清潔度大大提高。因軋輥表面鍍鉻層的化學穩(wěn)定性好，帶材表面部分脫落的鋁粉和氧化物與輥縫之間的潤滑油難以發(fā)生化學反應，這部分脫落的鋁粉與氧化物迅速被乳液沖走，在軋輥表面很難形成粘鋁層，在軋制變形過程中軋輥依舊保持鍍鉻層的色澤。

經(jīng)過試驗證明鍍鉻軋輥不但能減少帶材表面粘鋁產(chǎn)生的機率，還能提高軋制表面的整體質量。鍍鉻軋輥耐磨性好可以減慢輥面粗糙度下降速率，鍍鉻層的抗粘結性和高化學穩(wěn)定性，對延長軋輥的使用壽命也具有重要意義。通過不同的改善方案，最終手機殼表面的料紋缺陷降到最低。

4 結論

(1)常規(guī)改善方案對潤滑條件、軋制條件、軋制工藝等要求都非常嚴格，而且控制指標較多且相互制約，必須將各項指標控制到某一平衡點，帶材才能得到高表面質量，控制難度較大且較復雜。

(2)軋輥鍍鉻改善方案對潤滑、軋制要求的控制范圍相對較寬，只對軋輥表面質量要求較嚴，影響因素相對較少，而且能保障帶材高表面質量的生產(chǎn)。