劉 瑩，顏 凱，潘嘉鑫，曹 宇，曾勇謀，胡夢晗，賓月景

（梧州學(xué)院 機(jī)械與資源工程學(xué)院，廣西 梧州 543002）

0 引言

8011鋁合金產(chǎn)品主要以箔材為主，其按狀態(tài)可分為：硬質(zhì)箔（H18態(tài)）、半硬箔（H14/H24態(tài)）和軟質(zhì)箔（O態(tài)）與四分之一硬箔和四分之三硬箔。由于8011鋁合金鋁箔密封嚴(yán)、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)、無毒無味、出色的延展性好和強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點，因此，在包裝、日用、機(jī)電、建筑、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前對材料輕量化以及高強(qiáng)度更進(jìn)一步推動鋁合金在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1-4]。但目前國內(nèi)絕大部分8011鋁箔面臨著生產(chǎn)能耗高、效率低、成本高、附加值低等現(xiàn)狀，低端產(chǎn)品較多，高端產(chǎn)品仍需從國外高價購買[5]。這也限制了我國8011鋁合金向高端領(lǐng)域發(fā)展。為了更好地開發(fā)高端8011鋁合金箔材，本研究的是8011鋁合金箔材的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 8011鋁箔的應(yīng)用領(lǐng)域

在我國，鋁合金的產(chǎn)量僅次于鋼鐵，作為一種重要的輕金屬材料，在我國占據(jù)了較多的市場份額。隨著鋁和鋁合金焊接以及加工技術(shù)的不斷成熟，8011鋁合金箔材在各個領(lǐng)域的應(yīng)用的重要性也突顯了出來。8011屬于8xxx系列合金，添加了Al-Fe-Si元素，超過1%總合金元素，合金性能有很大的優(yōu)勢，8011鋁合金化學(xué)成分見表1。目前，8011鋁合金箔材已經(jīng)應(yīng)用于多領(lǐng)域，見表2，并有著大量的研究進(jìn)展。

表1 8011鋁合金化學(xué)成分表

表2 8011鋁箔的應(yīng)用范圍

在日用領(lǐng)域，雖然8xxx系合金也屬于熱處理不可強(qiáng)化合金，但與工業(yè)純鋁比較，具有更好的工藝性能、使用性能、力學(xué)性能與深沖性能，被廣泛用于空調(diào)箔、裝飾箔、金卡紙、飲料瓶蓋、防盜蓋的生產(chǎn)生活領(lǐng)域[6]。在2004年，張起[5]通過針孔控制技術(shù)并應(yīng)用板形、表面控制開發(fā)的軟管用8011鋁箔，促進(jìn)了國內(nèi)鋁合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使其處于國際領(lǐng)先水平。同年，以8011鋁合金生產(chǎn)出的0.0065 mm金卡箔在力學(xué)性能方面比一系合金的高出32～34 N/mm2，減輕了雙和油不均勻?qū)︿X箔暗表面亮度的影響，并加強(qiáng)了鑄軋帶材橫向厚差控制，使軋制張力減少了15%～40%，在同行中處于先進(jìn)水平[7]?；诖诉M(jìn)一步延伸出了合金空調(diào)器散熱器、換水器用親水環(huán)保型鋁箔。其具有抗拉強(qiáng)度高、延伸率大、表面均勻、親水性好的特點。2005年，渤海鋁業(yè)有限公司使8011鋁合金經(jīng)過特定的中間退火和成品退火工藝、適當(dāng)改變了鑄造前的工藝、含油量控制技術(shù)等分別生產(chǎn)出性能優(yōu)異、使用性能好且環(huán)保的0.04～0.12 mm的半剛性容器箔、8011鋁合金薄轉(zhuǎn)換箔、8011鋁合金熱封包裝用鋁箔，分別適用于制作中高檔半剛性容器如杯、盤、盒，食品，煙草包裝等高檔包裝用鋁，鮮奶蓋以及食品的中高檔包裝用鋁需求[8-11]。2010年，中國鋁業(yè)股份有限公司西北鋁加工分公司，分別經(jīng)過對8011鋁合金的中間退火工藝的厚度及工藝控制，軋制工藝的優(yōu)化和增加了除油裝置適當(dāng)調(diào)整了均勻化退火溫度，分別生產(chǎn)出超薄高質(zhì)量高性能啤酒標(biāo)用鋁箔與高質(zhì)量高性能8011合金雙零箔[12，13]。在此基礎(chǔ)上，趙剛[14]使用鑄軋法進(jìn)一步使雙零鋁箔具有晶粒細(xì)小，表面光潔干凈，抗拉強(qiáng)度及延伸率等特點，完全滿足市場對其高性能的要求，促進(jìn)了8011合金雙零箔的發(fā)展。

在藥用鋁箔方面，萬寶偉等[15]研究了對PTP（Press Through Packaging）鋁箔的8011基材工藝的研究，使用鑄軋胚生產(chǎn)，并調(diào)節(jié)中間退火工藝以及控制好潤滑油的黏度及調(diào)整除油裝置，制造出比之前產(chǎn)品有著更高質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度、抗破裂強(qiáng)度的以8011基材制造的PTP藥箔。在此基礎(chǔ)上，段瑞芬[16]通過對冷軋、箔軋以及原料的優(yōu)化改進(jìn)，研究出提高醫(yī)藥包裝用8011鋁箔表面質(zhì)量和力學(xué)性能的方法。

在汽車領(lǐng)域，8011鋁合金主要用于散熱板的輕量化、環(huán)?；芯?。渤海鋁業(yè)有限公司的8011合金汽車散熱器用鋁箔具有抗拉強(qiáng)度和延伸率高，杯突值高，平直度好，產(chǎn)品既能起到減厚度要求，又有加工成型好等特點代替了進(jìn)口產(chǎn)品[17]。在某些型號大眾汽車、寶馬汽車的散熱器生產(chǎn)上已經(jīng)批量應(yīng)用。

在航天領(lǐng)域，8011鋁合金向著輕量化，耐腐蝕，耐高溫的方向發(fā)展。不僅如此，飛機(jī)隔熱、燃料箱、飛機(jī)散熱器也有它們的身影。

1.1.2 8011鋁箔性能強(qiáng)化的技術(shù)方法

熱處理技術(shù)主要有中間退火、均勻化退火、穩(wěn)定化退火工藝技術(shù)。8011鋁箔產(chǎn)品性能較難控制，通常材料的性能低并且波動大，甚至同一爐退火出來的箔材也有明顯差異，國內(nèi)很多學(xué)者對8011鋁箔的熱處理技術(shù)進(jìn)行了研究。邢強(qiáng)等人[18]通過研究中間退火工藝對鋁箔性能的影響，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能波動較大，具體表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度在66～110 MPa范圍內(nèi)波動，延伸率在2%范圍內(nèi)浮動，如圖1所示，為了改變這一現(xiàn)狀，他們通過優(yōu)化中間退火工藝，減少了伸長率的波動，同時降低了伸長率，以提高材料的抗拉強(qiáng)度，如圖2所示。李響等[19]采用中間退火工藝320℃和與其相適應(yīng)的冷軋加工率，提高了8011鋁箔的抗拉強(qiáng)度，使抗拉強(qiáng)度達(dá)到145～185 MPa，延伸率≥1%，促進(jìn)了8011鋁合金材料的發(fā)展。

圖1 退火保溫時間與力學(xué)性能的曲線圖[18]

圖2 優(yōu)化退火工藝后的拉伸曲線[18]

熱處理工藝可以改善晶粒的大小，晶粒的大小也是決定8011鋁箔質(zhì)量的關(guān)鍵要素之一，因此對于晶?？刂频难芯恳彩?011鋁合金主要的研究方向。比如張晶等[20]通過成品退火工藝，對比了空調(diào)箔用8011合金與1100合金，發(fā)現(xiàn)8011鋁合金Fe、Si及雜質(zhì)含量多晶粒細(xì)化效果顯著且提高再結(jié)晶溫度，且其各向異性比1100合金箔的小一些。8011合金箔在不完全再結(jié)晶退火時其抗拉強(qiáng)度、伸長率明顯高于1100合金箔。因此，眾多空調(diào)箔生產(chǎn)廠和使用廠現(xiàn)在大多都在使用8011鋁箔而舍棄1100鋁箔。Chen等[21]通過對8011冷軋板進(jìn)行了不同溫度的退火處理，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶程度增加，晶粒尺寸和析出相分布越來越均勻，在退火為350℃時，8011冷軋板的組織為細(xì)小均勻的等軸晶粒組織，材料的抗拉強(qiáng)度、硬度最優(yōu)。

熱處理工藝不當(dāng)，溫度過高或者時間過長，容易致使材料表面出現(xiàn)氣泡，如圖3是8011鋁板冷軋退火后出現(xiàn)氣泡的外觀形貌。氣泡是由于材料內(nèi)部AlFeSi相的富集有利于氫富集和氫析出，外部致密的氧化膜阻礙氫析出共同作用形成的[22]。

圖3 8011鋁板冷軋退火后出現(xiàn)氣泡的外觀形貌[22]

材料的板形也是決定8011鋁箔質(zhì)量的因素。樊玉慶等[23]通過厚控和板型系統(tǒng)控制技術(shù)，顯著提高材料的抗拉強(qiáng)度高，其厚度可精確控制在±5%內(nèi)，此方法已經(jīng)被穩(wěn)定應(yīng)用于市場。

馬震華[24]研究了軋輥原始凸度對8011鋁合金鍍膜箔板形的影響。結(jié)果表明，當(dāng)原輥凸度為負(fù)值或過小時，軋制鋁箔會產(chǎn)生邊波缺陷。當(dāng)原輥凸度過大時，鋁箔容易產(chǎn)生中間波浪缺陷。更換工作輥和支承輥，有利于板形的控制，提高材料的性能。

還有少量研究，提出了8011鋁箔軋制復(fù)合技術(shù)，如LIU等[25]通過輥鑄+輥壓結(jié)合的組合方法制備了Cu/8011/1060復(fù)合鋁箔，研究了軋制率對軋制過程中熔覆層組織和力學(xué)性能的影響，研究表明適當(dāng)提高軋制壓下率可以提高8011復(fù)合箔的力學(xué)性能，當(dāng)壓下率為47%Cu/8011/1060復(fù)合箔具有最佳的綜合拉伸性能，復(fù)合界面處形成了冶金結(jié)合。

一是考核主體不明晰，即由誰來進(jìn)行評估尚無定論。無論是以中國管理科學(xué)研究院或者是武漢大學(xué)中國科學(xué)評價研究中心為代表的民間機(jī)構(gòu)，還是以教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心為代表的半官方機(jī)構(gòu)，其合法性和權(quán)威性一直都備受外界質(zhì)疑，其中立性也飽受詬病。二是考核對象分類不清。未能對被考核對象進(jìn)行詳細(xì)分類是國內(nèi)高?？冃гu估結(jié)果引發(fā)外界爭議的一個重要原因。三是考核標(biāo)準(zhǔn)有待規(guī)范。國內(nèi)高?？冃гu估尚沒有提出一個完整和公認(rèn)的績效評價指標(biāo)體系，不同評價體系選用的指標(biāo)差異較大，其評價結(jié)果也大不相同。

1.2 國外8011鋁合金箔材發(fā)展現(xiàn)狀

總的來看，西方工業(yè)化發(fā)達(dá)國家對于8011鋁箔的應(yīng)用于研究歷史時間久，基礎(chǔ)好、經(jīng)驗積累豐厚，技術(shù)水平高，人力資源豐富。在食品、奶制品、啤酒標(biāo)簽、日用包裝等中低端的產(chǎn)品中已逐漸飽和。

1.2.1 8011鋁箔強(qiáng)化的方法

國外對于8011鋁合金復(fù)合材料領(lǐng)域以及對材料強(qiáng)化的研究依舊活躍：為了增強(qiáng)單軸拉伸載荷下鋁8011鋁箔板力學(xué)性能，Reddy通過Taguchi方法和Gray-Taguchi優(yōu)化了在船舶以及航天和壓力容器用鋁箔的力學(xué)與機(jī)械性能[26]。在熱交換器熱泵中，Rahimi團(tuán)隊[27-28]研究了鋁的表面改性方法及其對潛在的表面形態(tài)和0結(jié)構(gòu)的影響。優(yōu)化了在寒冷工作條件下，水蒸氣在8011鋁箔表面結(jié)霜的風(fēng)險，增強(qiáng)了機(jī)器的整體性能。還有Kumar等[29]以碳化硅顆粒來增強(qiáng)8011鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)，在碳化硅顆粒集聚的地方獲得的硬度較高，材料的整體強(qiáng)度取決于顆粒在基體里面的分布。其抗張強(qiáng)度極限（UTS）隨顆粒含量的增加而增加，而生產(chǎn)率隨顆粒含量的增加而降低。Thippeswamy等[30]通過攪拌鑄造法，以8011鋁合金為基底引入納米二氧化鋯（ZrO2）顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，8011鋁合金+6wt%納米ZrO2的最大拉伸強(qiáng)度為116.089 n/mm2。8011鋁合金+6wt%納米氧化鋯的抗壓強(qiáng)度最高，為657.536 N/mm2。并且通過提高補(bǔ)強(qiáng)率，獲得了較好的硬度性能，并且通過顯微圖像顯示，納米ZrO2在8011鋁中均勻分布，并伴有枝晶間析出。

分析上述研究發(fā)現(xiàn)：國外主要是通過優(yōu)化計算方法、改善鋁合金表面、以鋁基加入其他顆粒來進(jìn)一步強(qiáng)化鋁合金。

1.2.2 合金元素的作用

不少學(xué)者對合金中的元素影響進(jìn)行了研究，Luiggi[31]研究出8011鋁合金析出動力主要由Fe在鋁基體中擴(kuò)散控制，在T≤300°的動力學(xué)的行為解釋了富硅相的析出，并且可以用RT和HT樣品計算活化能顯示的差異。M.Rahimi的團(tuán)隊解決了關(guān)于此合金在不同的參數(shù)下的水潤性，表面粗糙度和霜凍形成的問題[28]。K.Suresh等[32]利用成型鉆孔對以8011鋁合金為母板進(jìn)行鉆孔，并用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測所形成鉆孔，研究發(fā)現(xiàn)，硅元素對鼓包的鉆孔起了積極的作用。當(dāng)熱量升高時，成形性更高，使流動性更高，并增加了花瓣的形成。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，在合金中添加Fe、Si元素可以提高材料的力學(xué)性能、成形性和流動性性能。

1.2.3 8011鋁合金復(fù)合技術(shù)

國外對8011鋁合金復(fù)合材料也做了相關(guān)研究，如Prabhu等[33]對8011鋁合金與雞骨粉碳灰混雜金屬基體的試驗結(jié)果表明，除了一種雞骨粉碳灰，其他與8011鋁合金以納米復(fù)合鍵的形式緊密結(jié)合，其表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的增加而減小。Kumar等[34]以8011作為基體材料，用碳化硅進(jìn)行強(qiáng)化。利用微觀結(jié)構(gòu)分析研究了工藝參數(shù)對顆粒分布的影響。研究發(fā)現(xiàn),具有10%SiC增強(qiáng)體的鑄造樣品，黏度為1.04mPa-s，45°與其他鑄造試樣相比，葉片角度、距底座40%的葉輪位置和10min的保溫時間提高了力學(xué)性能，顆粒分布均勻。較高的加工溫度，即較低的鋁熔體黏度和較高的葉片角度，會導(dǎo)致氣孔和顆粒聚集。

復(fù)合材料的整體強(qiáng)度取決于顆粒在基體中的分布。P.Chandrasekar等[35]通過ARB技術(shù)引入各種增強(qiáng)材料，由于Al 8011-B4C復(fù)合材料薄板之間的界面高度結(jié)合，基體內(nèi)的B4C顆粒互鎖，發(fā)現(xiàn)8011鋁合金與碳化鈦（TiC），碳化鎢（WC）和碳化鋯（ZrC）的復(fù)合材料相比有著更高的硬度。另外Bonu等[36]研究了8011鋁合金與非金屬材料復(fù)合后其腐蝕速率隨著溫度的升高先減小，然后隨著溫度的升高而增大，當(dāng)溫度在400℃時，腐蝕性能最好，如圖4所示。以上研究可見，以碳化硅、碳化鈣等碳化物、顆粒增強(qiáng)劑用來強(qiáng)化金屬是未來一種流行的趨勢，且效果較好。

圖4 Al-8011合金基底的腐蝕速率與溫度的關(guān)系[36]

2 8011鋁合金箔材存在的問題

與國外發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比，我國的鋁箔發(fā)展晚，經(jīng)驗技術(shù)不夠成熟，鋁礦資源少。生產(chǎn)的鋁箔中低等過剩，高檔產(chǎn)品不足仍是我們需要面臨的問題，與世界先進(jìn)水平仍有一些差距。用于高端領(lǐng)域的8011鋁箔較少，核心零部件不能自給。我國大部分8011鋁箔用于空調(diào)箔及其包裝業(yè)。

對于部分產(chǎn)能過剩的中低端領(lǐng)域，熱處理技術(shù)、板形控制技術(shù)、復(fù)合軋制技術(shù)仍不夠成熟，8011鋁箔常出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度偏低、腐蝕性能差、氣泡、裂邊和板形不良等問題。

3 8011鋁合金箔材的未來發(fā)展及技術(shù)趨勢

目前8011鋁箔仍然以日用領(lǐng)域為主體，但應(yīng)集中研發(fā)高端產(chǎn)品，如超薄高性能電池鋁箔、空調(diào)鋁箔及密封性好的航空鋁箔等。據(jù)預(yù)測到2025年中低端鋁箔產(chǎn)業(yè)供需趨于平衡，為了應(yīng)對鋁箔產(chǎn)能過剩的情況，克服鋁箔強(qiáng)度低、開裂和氣泡等問題，需要通過技術(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步提高鋁箔綜合性能和質(zhì)量。技術(shù)優(yōu)化可以從下幾個方法著手：

（1）優(yōu)化熱處理工藝，如使用高溫短時或低溫長時退火工藝，來提高材料的力學(xué)性能。另外變質(zhì)處理能使晶粒更加均勻、細(xì)化，使其獲得更加優(yōu)良的性能。

（2）通過控制輥型形狀優(yōu)化板形，并配合使用彎輥技術(shù)，調(diào)整壓下量、張力等參數(shù)獲得良好的板形。

（3）優(yōu)化復(fù)合軋制技術(shù)，軋制復(fù)合時采用小壓下，從一個方向趕凈復(fù)合面之間的氣體，并且將復(fù)合面之間油污、雜質(zhì)清理干凈，減少氣泡產(chǎn)生。

不僅如此，還需要從材料自身方面發(fā)展，高端產(chǎn)品如鋁基顆粒增強(qiáng)劑或?qū)訝顝?fù)合材料是未來研究的熱點及方向，可應(yīng)用于電極、高端包裝及建筑領(lǐng)域。

4 結(jié)語

8011鋁箔已應(yīng)用于日用、電子、建筑等多個領(lǐng)域，覆蓋范圍較廣。近些年來，對8011鋁箔的熱處理技術(shù)、軋制技術(shù)、板形控制技術(shù)研究也較多，產(chǎn)品相對成熟，但仍然存在一些問題。另外高端領(lǐng)域用鋁箔研究相對比較少，軋制復(fù)合或添加顆粒增強(qiáng)材料的8011鋁箔是未來材料的研究方向。