鋁合金手機(jī)外殼表面料紋研究及改善方案

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(duì)鋁合金帶材表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，屬于高表面質(zhì)量產(chǎn)品。特別是部分3C產(chǎn)品經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化后，鋁材表面缺陷將全部顯現(xiàn)出來(lái)，缺陷嚴(yán)重時(shí)將會(huì)影響到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量甚至報(bào)廢。手機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度非?？欤瑢?duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量要求也越來(lái)越來(lái)嚴(yán)格。手機(jī)外殼表面質(zhì)量中與鋁材有關(guān)的兩個(gè)重要表面缺陷是材料線(xiàn)和料紋，這兩個(gè)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(gè)缺陷控制到很低的范圍，從而減少?gòu)U品率造成的損失。

鋁制手機(jī)外殼表面料紋是經(jīng)過(guò)表面拋光、噴砂和陽(yáng)極處理后，在鋁材表面留有條狀、塊狀黑色的斑跡，其大小、長(zhǎng)度和位置不固定，甚至布滿(mǎn)整個(gè)手機(jī)外殼表面，嚴(yán)重影響到手機(jī)殼表面質(zhì)量。文章通過(guò)對(duì)料紋缺陷進(jìn)行掃瞄電鏡 (SEM)和能譜儀(EDS)分析，根據(jù)分析結(jié)果，制定了相應(yīng)的改善方案。

1 樣品分析

鋁合金手機(jī)外殼的工藝流程為，進(jìn)料—沖制—CNC加工—拋光—噴砂—陽(yáng)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(jī)外殼的顏色是通過(guò)陽(yáng)極氧化的方式進(jìn)行不同著色處理，“土豪金”是手機(jī)殼中對(duì)鋁材表面要求很高的產(chǎn)品。本試驗(yàn)將客戶(hù)提供的 “土豪金”樣品上的料紋缺陷進(jìn)行分析，并通過(guò)能譜儀(EDS)對(duì)基材進(jìn)行分析，確定5252合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(gè)0.03，其它總計(jì)0.10，Al余量。

圖1是客戶(hù)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(xué)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(duì)手機(jī)殼表面放大400倍進(jìn)行觀察，表面沿軋制方向呈現(xiàn)凹凸不平并有深色點(diǎn)狀分布(圖2(a))。使用EDS對(duì)表面形貌及典型元素分布情況分析見(jiàn)圖2(b)，圖中綠色部分主要成分是鋁，綠色中嵌入團(tuán)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(jiàn)圖2(c)，截面放大200倍晶粒情況見(jiàn)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(duì)手機(jī)殼表面放大400倍進(jìn)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(duì)表面形貌及典型元素分布情況分析見(jiàn)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(jiàn)圖3(c)，截面放大200倍晶粒情況見(jiàn)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(duì)手機(jī)殼表面放大400倍進(jìn)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(duì)表面形貌及典型元素分布情況分析見(jiàn)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(duì)手機(jī)殼表面放大400倍進(jìn)行觀察，表面沿軋制方向呈現(xiàn)凹凸不平見(jiàn)圖5(a)。使用EDS對(duì)表面形貌及典型元素分布情況分析見(jiàn)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(jiàn)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(guò)對(duì)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(duì)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(wú)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(guò)程中熱軋工序產(chǎn)生的粘鋁缺陷。

熱軋粘鋁層形成機(jī)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(yùn)行條件，噴射到輥縫之間的潤(rùn)滑乳液，因化學(xué)活性使油從乳液中分離出來(lái)，在軋輥運(yùn)行過(guò)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(guò)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(rùn)滑油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并轉(zhuǎn)移到軋輥表面形成一層細(xì)密的粘鋁層。軋輥表面粘鋁層的質(zhì)量將會(huì)影響帶材的表面質(zhì)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(yáng)極表面質(zhì)量因素有：(1)化學(xué)成分的影響，為改善鋁合金的力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)，通常在鋁中添加少量的銅、硅和鐵，在進(jìn)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(dǎo)致陽(yáng)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(lái)雜質(zhì)的影響，在軋制中產(chǎn)生的“金屬亮紋”、“尾端痕”、“條痕”在陽(yáng)極氧化后變得明顯[2]；(3)軋制加工過(guò)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(zhì)量[3]。

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

3.1 常規(guī)工藝改善方案

(1)乳液潤(rùn)滑。乳液作為熱軋的潤(rùn)滑劑有很多指標(biāo)需要關(guān)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(biāo)都會(huì)影響軋輥表面的粘鋁層，也會(huì)影響帶材的表面質(zhì)量。乳液質(zhì)量管控的好壞也能反應(yīng)出帶材的表面質(zhì)量情況。

(2)軋制溫度。帶材入口溫度和軋制速度會(huì)對(duì)帶材出口溫度有一定影響，入口溫度高軋制速度快，必然會(huì)導(dǎo)致帶材出口溫度高，溫度高會(huì)影響到乳液的潤(rùn)滑效果，也會(huì)影響到軋輥表面粘鋁層的質(zhì)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(huì)提升帶材溫度，帶材溫度升高會(huì)影響輥縫之間的乳液油膜強(qiáng)度下降，帶材與軋輥之間的潤(rùn)滑變差，最終會(huì)導(dǎo)致軋輥表面粘鋁層質(zhì)量變差。

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

(5)刷輥質(zhì)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(huì)越來(lái)越厚甚至不均勻，這直接影響到帶材表面質(zhì)量。使用刷輥不定期對(duì)軋輥表面進(jìn)行清刷，以保持良好的粘鋁層表面。刷輥本身質(zhì)量(如刷輥的材質(zhì)、直徑、硬度、壓力等)也會(huì)影響到帶材的表面，刷輥使用不當(dāng)會(huì)對(duì)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(guò)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(shí)踐證明，電鍍工藝對(duì)軋輥表面粗糙度會(huì)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(biāo)不發(fā)生改變。

軋輥表面鍍鉻后的優(yōu)點(diǎn)：(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(zhǎng)軋輥每一次的使用時(shí)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(shí)，軋輥的硬度不會(huì)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(zhì)量；(4)軋輥鍍鉻層化學(xué)穩(wěn)定性好，軋制時(shí)不易與乳液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以減少粘鋁發(fā)生的機(jī)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(shí)軋輥表面鍍鉻層在軋制過(guò)程中可以降低金屬間的摩擦系數(shù)。使用鍍鉻輥軋制時(shí)，帶材在塑性變形過(guò)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(xué)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(rùn)滑油難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(guò)程中軋輥依舊保持鍍鉻層的色澤。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明鍍鉻軋輥不但能減少帶材表面粘鋁產(chǎn)生的機(jī)率，還能提高軋制表面的整體質(zhì)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(jié)性和高化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)延長(zhǎng)軋輥的使用壽命也具有重要意義。通過(guò)不同的改善方案，最終手機(jī)殼表面的料紋缺陷降到最低。

4 結(jié)論

(1)常規(guī)改善方案對(duì)潤(rùn)滑條件、軋制條件、軋制工藝等要求都非常嚴(yán)格，而且控制指標(biāo)較多且相互制約，必須將各項(xiàng)指標(biāo)控制到某一平衡點(diǎn)，帶材才能得到高表面質(zhì)量，控制難度較大且較復(fù)雜。

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