鑄錠夾雜物導致的板帶材缺陷及其預(yù)防措施

劉 旺,陳 婷,付海朋

(1.重慶國創(chuàng)輕合金研究院有限公司,重慶 404100; 2.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110004)

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

鋁合金夾雜物一般分為兩類:一類是非金屬夾雜物(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;另一類為金屬夾雜物,如未溶的細化劑等。通過查找夾雜物的來源,改進熔鑄工藝,達到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 導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,通過掃描電鏡對成品缺陷進行形貌和成分特征分析,并建立成品缺陷與夾雜物類型一一對應(yīng)關(guān)系,從而可以有的放矢地分析問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。近年來隨著下游質(zhì)量要求的提高,對針孔缺陷基本達到了零容忍。罐體料一般采用3104鋁合金,其Mg含量及強度適中,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;但在制罐廠沖制過程中,罐體料鋁合金帶材有一個變形量較大的減薄拉伸過程,厚度減薄達60%以上,若存在夾雜物缺陷,很容易在夾雜物點開裂形成斷罐,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

罐體在沖制過程中經(jīng)過高速變形,因此若斷罐則很難準確地尋找斷裂源,故主要對針孔形貌和成分進行分析。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,其成分見表2。N元素來源可能是熔煉時形成的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材料表面的質(zhì)量要求很高,帶材表面上偶發(fā)的一類短道條紋缺陷,必須在光照或是有較大的顏色襯度時才容易顯現(xiàn)。但此類缺陷將影響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)過感光膠起泡的缺陷,去除已與基體脫離的感光膠后,對起泡處用掃描電鏡進行觀察和成分分析,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版基導致感光膠起泡夾雜物掃描電鏡照片

1.3 易導致成品缺陷的夾雜物情況匯總

通過對罐體料、CTP版基坯料中發(fā)現(xiàn)的缺陷分析,確認了由夾雜物引起的缺陷以及對應(yīng)的產(chǎn)品,其對應(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,這一特點在使用Prefil-Footprint測渣儀對鋁熔體的檢測當中也得到了證實,測渣儀在檢測中發(fā)現(xiàn)過MgO、尖晶石、類尖晶石、尖晶石結(jié)晶等多種含Mg的夾雜物。

使用測渣儀可發(fā)現(xiàn),MgO是直徑幾微米到十幾微米不等的顆粒狀夾雜物,因為粒徑不大,經(jīng)過反復(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)較長時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夾雜物,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)過程中,現(xiàn)行的工藝大多會加入一定量的鋁鈦硼絲,以細小彌散的TiB2作為結(jié)晶形核質(zhì)點,起到細化晶粒的作用。TiB2顆粒的尺寸一般在1～5 μm,對熔體來說可以不算夾雜物,但它易聚集成團聚物[3]。此外微量元素V會和Ti、B形成復(fù)雜化合物相，一旦微量元素V的含量在熔體中過高,可能析出化合物相沉淀形成團聚夾雜物[4]。這正是成品板帶材夾雜物中檢測到較高含量的Ti、V元素的原因。在使用測渣儀檢測中,發(fā)現(xiàn)聚集成團的Ti、B、V團聚夾雜物,如圖10及表7所示。

表7 圖10 TiB2團聚夾雜物成分

圖10 TiB2團聚夾雜物金相組織

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

正常熔鑄時添加鋁鈦硼絲的量很少,但在熔煉的原材料廢料比例過高時會導致初始熔體中含有較多的Ti和B元素,且它們在熔煉及靜置過程中有充分的時間聚集成團。

而鋁合金中的V元素一般認為來源于鋁電解過程,作為電解陽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)會生成團聚夾雜物。

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)的過濾對控制夾雜物起著至關(guān)重要的作用。常用的泡沫陶瓷過濾片在生產(chǎn)合金化程度低的產(chǎn)品時可選擇60目甚至更大目數(shù)的過濾板,且通過測渣掌握過濾片在使用過程中的除渣率變化情況,過濾板應(yīng)每鑄次都更換。采用精度更高的過濾方式如管式過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濾,否則管組極易堵塞,這種情況采用深床過濾可獲得較好效果。在生產(chǎn)過程中,采用在線或離線測渣對在線處理過濾器的工況進行監(jiān)控,可避免過濾失效導致批量質(zhì)量問題。

排查熔煉過程中可能接觸到的含N場景,除采用氬氣精煉外,還要避免超溫熔煉和鋁液長時間保溫靜置。BN涂料是生產(chǎn)中常用的防粘鋁涂料,在兌水稀釋過程中,應(yīng)采用去離子水,且規(guī)定一個固定的配比值,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)品用途進行控制,如對團聚夾雜物不太敏感的罐體料,因為需要深沖,對晶粒尺寸要求較高,w(Ti)控制在0.015%～0.025%為宜。而團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量低的鋁鈦硼絲細化劑。鋁鈦硼絲細化劑品質(zhì)的檢查也是控制此類夾雜物的關(guān)鍵點,品質(zhì)好的鋁鈦硼絲細化劑內(nèi)第二相質(zhì)點均勻彌散分布,且很少含有鹽類夾雜物。

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異物混入熔體中形成的。扒渣、過濾等未能去除的夾雜物就會在產(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)化過濾裝置,正確使用鋁鈦硼絲等輔材并保證其質(zhì)量,對減少夾雜物、提升成品質(zhì)量有較明顯的成效。