3003鋁合金冷軋板帶孔洞缺陷成因分析

沈海鷗

摘要：孔洞缺陷是3003鋁合金冷軋板帶中危害最大的缺陷之一，采用掃描電鏡和能譜分析手段對鋁合金冷軋板帶的孔洞缺陷進行分析，扁錠夾雜、異物壓入和軋輥異常是冷軋板帶孔洞缺陷產生的主要原因，針對孔洞缺陷產生的原因提出預防改進措施。

關鍵詞：鋁合金；冷軋；孔洞

3003鋁合金是以錳為主要合金元素的不可熱處理強化防銹鋁合金，加工成形性能、焊接性能、防腐蝕性能優良，因此被廣泛應用于需要良好的成形性能、可焊性、高的抗腐蝕性，而又要求具有比1XXX變形鋁合金高強度的工件，如廚具、食品及化工產品貯存處理裝置，熱交換器、壓力罐、掛車頂棚、建筑圍護件等領域。但3003鋁合金冷軋板帶由于生產流程長，精度高，很容易產生擦劃傷、凹坑、起皮和孔洞等表面質量問題，而孔洞缺陷是3003鋁合金冷軋板帶中危害最大的缺陷之一。由于孔洞必須切除，從而使帶卷的成材率降低，如果孔洞位于帶卷中間而不易發現，將給下游工序或客戶的生產帶來嚴重影響。冷軋板帶孔洞缺陷主要由扁錠夾雜、異物壓入和軋輥異常引起。作者將對其產生原因進行分析，并提出改進措施。

1、試驗方法

觀察缺陷的宏觀形貌并記錄其特征，在缺陷明顯處取樣，并取對比樣，用掃描電鏡和X射線能譜儀對缺陷試樣和對比樣進行微觀形貌和化學成分分析。

2、冷軋板帶孔洞缺陷的成因分析

2.1 扁錠夾雜導致的孔洞缺陷分析

產品質量異議統計表明，扁錠夾雜是造成3003鋁合金冷軋板帶孔洞缺陷的主要原因。圖1為某批次0.75mm厚3003冷軋帶卷孔洞缺陷的宏觀形貌。其特征為：孔洞沿軋制方向分布，呈不規則撕裂狀，或呈月牙形，孔洞往往成串出現，大小不一，大孔洞附近還伴隨著一些小孔洞。孔洞邊緣沒有明顯的機械擦劃傷，孔洞在板帶的正、反面的大小、形貌相同，孔洞附近有起皮現象。圖2為夾雜引起的孔洞缺陷的SEM形貌及能譜分析，表1為對應點的EDS化學成分分析結果。分析表明夾雜物主要是C、O化合物。而在未開裂區域取正常試樣的EDS分析結果，C、O元素含量遠遠小于孔洞缺陷處。經調查，該批次3003冷軋帶材所用錠坯是100%使用熔鑄車間及熱軋、冷軋車間的返回料生產。由于爐料的反復使用，熔體與大氣、爐氣以及爐襯材料反應，從而產生大量的C、O化合物夾雜。

夾雜物存在于扁錠中破壞了金屬的連續性，其塑性差，成為扁錠及加工制品中的裂紋源[1]。隨著軋制過程板帶的減薄，在夾雜物與金屬基體的界面處產生開裂，最后產生穿孔缺陷。

2.2 異物壓入導致的孔洞缺陷分析

異物壓入導致的鋁合金冷軋板帶孔洞缺陷呈單個或成串出現，孔洞形態不規則，大小不同。其產生的主要原因有：輥面粘附的異物脫落軋入鋁板帶表面；鋁帶卷在進入軋機前夾入異物進軋機后被軋入板帶表面；外來金屬等異物黏結在扁錠表面或扁錠測溫熱電偶滯留在扁錠內部，熱軋時異物被一起軋制，冷軋減薄軋制后異物脫落形成孔洞；在熱軋階段，鋁板側邊撞擊軋機導尺，產生的撞擊飛濺物（主要是合金碎塊）掉落被壓入鋁板表面，合金碎塊等異物比基體金屬溫度低，被壓入基體中的合金碎塊比基體硬，塑性變形困難[2]，當軋制減薄到一定厚度時，合金碎塊等異物裸露出基體表面而脫落形成孔洞，或裸露的金屬碎塊及其與基體金屬連接處發生斷裂，破壞了金屬的連續性從而形成孔洞缺陷。

圖3是某批次0.7mm厚3003鋁合金冷軋帶異物壓入引起的孔洞缺陷宏觀形貌。觀察其缺陷形貌，可看到該異物引起的孔洞沿軋制方向拉長，孔洞缺陷長達200mm，非常嚴重，孔洞形狀不規則，尚未脫落的壓入物長達70mm，與其周圍金屬基體有明顯的色差，并有明顯金屬光澤。將壓入物從孔洞中取出進行能譜分析，其主要成分為Fe、Cr和Ni，是與3003鋁合金完全不相同的鋼鐵材質，見圖4。經與扁錠測溫熱電偶的EDS分析結果對比，該壓入物化學成分與熱電偶化學成分相同。該孔洞缺陷的產生是因為折斷的測溫熱電偶滯留在扁錠里，鋁帶板與熱電偶塑性不相同，經過熱軋、冷軋后，熱電偶與基體金屬分離、脫落后形成孔洞缺陷。

能譜分析]

2.3 軋輥異常導致的孔洞缺陷分析

軋輥異常導致的孔洞缺陷與鋁板帶材質無關，屬于機械損傷類缺陷。軋輥異常主要指軋輥輥面缺肉或軋輥輥面粘附金屬物。軋輥異常引起的孔洞缺陷其特征是孔洞在鋁板帶上周期性出現，孔洞距離板帶邊部均勻一致。該類孔洞缺陷往往在熱精軋時板帶表面就存在孔洞或粘傷缺陷。

軋輥異常導致的孔洞缺陷產生原因：當軋制潤滑不良，或軋輥表面缺肉，使其表面粗糙度變大，此時如果鋁板帶越軟，則板帶與軋輥之間的摩擦系數增大，因板帶與輥面摩擦的增大會產生越來越多的鋁粉粘附在輥面并堆積，壓入鋁板帶后形成周期性的孔洞缺陷。相比于其他原因導致的孔洞缺陷，該類孔洞缺陷在生產過程中很少發生。

3、冷軋板帶孔洞缺陷的預防措施

扁錠夾雜是導致3003鋁合金冷軋板帶孔洞缺陷的主要原因，防止夾雜引起的孔洞缺陷，重點是提高鋁合金熔體潔凈度，防止非金屬夾雜的產生，主要措施有：（1）熔鑄所用原、輔材料的油污、泥土、灰塵和水分等必須清除干凈；（2）合理配料，新、舊料比例要適當；（3）加強熔體凈化處理，應采用爐內精煉、在線除氣與在線過濾除渣相結合的熔體凈化工藝，有效除氣、除渣；（4）適當提高精煉溫度和鑄造溫度，利于渣、鋁分離和渣子上浮，以便將鋁渣清除干凈[3]。

針對異物壓入孔洞缺陷的成因，其預防措施是：（1）扁錠應銑面，扁錠表面干凈無異物；（2）扁錠均勻化退火熱處理完成后，應將扁錠測溫熱電偶從扁錠測試孔洞中取出，測溫孔洞位置靠近扁錠頭、尾部，以便于在扁錠鋸切頭尾時切除，可防止熱電偶滯留在扁錠內部引起板帶孔洞缺陷；（3）提高軋制穩定性，避免鋁板帶在軋制過程中跑偏，加強軋機導尺維護。

軋輥異常引起的孔洞缺陷，可通過及時清理軋輥表面堆積的異物，定期檢查輥道表面，及時處理軋輥表面缺陷等措施來有效預防。

4、結論

（1）扁錠夾雜、異物壓入和軋輥異常是冷軋板帶孔洞缺陷產生的主要原因。

（2）夾雜引起的孔洞缺陷呈不規則撕裂狀斷口，或呈月牙形，孔洞往往成串出現，大小不一，大孔洞附近還伴隨著一些小孔洞。孔洞邊緣沒有明顯的機械擦劃傷，有時孔洞缺陷附近存在起皮現象。防止夾雜引起的孔洞缺陷，重點是提高鋁合金熔體潔凈度，防止非金屬夾雜的產生。

（3）異物壓入導致的鋁合金冷軋板帶孔洞缺陷呈單個或成串出現，孔洞形態不規則，大小不同。它的產生是因為扁錠本身原有的金屬異物或在軋制過程中因各種原因掉落在板帶表面的金屬碎塊軋入金屬表面，在后續板帶軋制減薄到一定厚度時，異物裸露出基體表面而脫落形成孔洞，或裸露的金屬碎塊及其與基體金屬連接處發生斷裂，破壞了金屬的連續性從而形成孔洞缺陷

（4）軋輥異常引起的孔洞缺陷其特征是孔洞在鋁板帶上周期性出現，孔洞距離板帶邊部均勻一致。此類孔洞缺陷產生的幾率小。

參考文獻：

[1] 肖亞慶，謝水生，劉靜安，等，鋁加工技術實用手冊[M].北京：冶金工業出版社.2005.

[2] 時羽，梁曉寧，等.LF板材表面軋制碎裂孔洞分析[J].黑龍江冶金，2007（2）：8-9.

[3] 劉靜安，單長智，侯繹，謝水生，鋁合金材料主要缺陷與質量控制技術[M]，北京：冶金工業出版社.2014.