鋁箔真空退火過程的質量問題及預防

郭萬花

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830013）

高壓電子鋁箔作為鋁電解電容器的原材料，必須要經過最終的高真空完全退火，即要求真空度在10-2Pa及以上，退火溫度在500℃以上，才能實現其高的立方織構含量、表面極薄氧化膜和表面元素富集等品質目標。但因為真空退火過程的特殊性，生產過程如果控制不當，比如設備壓升率超標、抽真空速度不合理、操作方法不當等等，會使退火的高壓電子鋁箔產生一系列的質量問題，例如氧化、竄層、退火油斑等，對生產成品率和表面質量產生嚴重的影響。本文通過對高壓電子鋁箔真空退火過程的生產實踐進行總結，分析真空退火過程中出現的表面質量問題，并提出有效的預防措施，以實現對高壓電子鋁箔真空退火過程表面質量的穩定控制。

1 現狀分析

1.1 設備結構及其工作原理描述

公司的真空退火爐裝爐量為1.5 t，由爐殼、加熱室、抽真空系統、充氣冷卻系統、加熱系統、真空測量系統等部分組成。爐殼采用水冷壁設計結構，其作用是真空室的建立，采用水冷夾壁設計是為了隔熱和防止高溫熱變形。加熱室處于爐殼內部，是電子鋁箔退火的有效空間，室壁由兩層不銹鋼板中間夾保溫隔熱材料組成，加熱室內部分布有加熱帶，用于對鋁箔的加熱。抽真空系統為兩組，相互備用，也可以同時使用，其包括機械泵、羅茨泵、擴散泵及各種真空閥門，主要用于真空爐真空的獲得。充氣冷卻系統包括充氣管路和冷卻風機，主要用于在加熱結束階段，充入保護氣體，然后開風機進行內循環對工件進行冷卻。加熱系統主要實現退火工藝的保溫溫度及加熱時間的控制要求。真空測量系統由真空規管和顯示儀組成，用于真空的測量。

高壓電子鋁箔的退火過程大致如下：分切完成后的鋁箔卷用鋁帶綁緊防止松卷，然后裝入專用退火料架，將退火料架吊起放到退火爐進出料小車上，將退火鋁箔卷整架推入加熱室，關閉爐門，開始抽真空，抽真空過程先打開機械泵將爐內真空度抽到1 000 Pa左右，然后打開羅茨泵，待爐內真空度達到10 Pa以內時，對擴散泵進行預熱，擴散泵溫度達到要求后，關閉粗抽管路，打開精抽管路抽高真空，當爐內真空度達到10-2Pa時，開始按設定的退火工藝進行加熱，同時過程保持繼續抽真空。退火速度大約以每分鐘25℃升溫到500～520℃，保溫15～20 h。然后停止加熱，停止抽真空，開始向爐內充入保護氣體使爐壓達到50～70 kPa，然后停止充氣，打開冷卻風機進行快速冷卻，冷卻8～10 h后，將電子鋁箔拉出爐,退火過程結束。

1.2 退火質量問題描述

我公司在進行高壓電子鋁箔的成品退火過程中，因控制不當會出現以下的退火質量問題：

⑴因為真空環境及來料質量的原因造成退火鋁箔卷竄層；

⑵因為退火爐發生泄漏或保護氣體純度不符合要求造成退火鋁箔卷氧化；

⑶因為來料帶油較大和退火工藝不合理的原因，造成退火后出現退火油斑。

⑷因退火溫度不合理造成的織構形成不理想和過熱過燒現象,主要與退火工藝的設計有關。

2 退火產生的質量問題原因分析

2.1 竄層

高壓電子鋁箔的成品退火溫度在500℃以上，為了防止氧化現象的出現，必須在高真空狀態下,即真空度達到10-2Pa時進行加熱。同時為了去除退火鋁箔卷表面的帶油現象，退火過程必須保持持續的抽真空狀態，將不斷揮發的油氣抽走。在這樣的生產狀態下，一方面鋁箔卷因為存在一定的不均勻軋制殘余應力，在加熱過程中的應力釋放產生一個牽動力，使單層鋁箔向某個方向移動，同時油氣揮發過程也會產生一個向鋁箔卷邊緣的牽動力；另一方面因為高真空的原因，鋁箔卷在退火爐內受到外部大氣壓的壓力幾乎為零。這兩個方面的同時作用，就造成了鋁箔卷竄層的現象（圖1），但因為鋁箔卷越靠近芯部，其相互的表面摩擦阻力越大，因此竄層一般只發生在鋁箔卷外部20 mm以內部分。這部分竄層因為發生錯動，造成表面損傷，屬于報廢品。以公司生產卷重145 kg產品為例，如果竄層厚度達20 mm，則廢品量大約15 kg，給公司造成的損失是巨大的。

圖1 外部竄層

2.2 氧化

高壓電子鋁箔卷的退火是處于一個氣密狀態下的高真空環境退火，以防止氧含量超標造成鋁箔卷的氧化。但在生產過程中，如果出現爐門密封圈破裂、或冷卻過程充入的保護氣體純度超標、或冷卻風機轉動部位油封破壞、及其它密封部位泄漏等情況，會造成爐內的氧含量超標，從而造成鋁箔卷的表面氧化現象（圖2）。根據氧化程度的不同，氧化部位會呈現灰、白、黃、褐、紫、黑等顏色，造成后期的腐蝕光斑現象，屬于報廢品。

圖2 表面（邊部）氧化

2.3 退火油斑

高壓電子鋁箔經過軋制之后，表面會附帶一層極薄的軋制油膜。在高真空成品退火的過程中，利用加熱揮發和持續抽真空的方式使軋制油膜在其揮發溫度段揮發抽出。在實際生產過程中，如果軋制油膜較厚或者有異常的表面帶油現象造成部分表面帶油無法完全去除，經高溫加熱之后碳化形成退火油斑，或者因為加熱速度過快，造成軋制油還沒有完全揮發的情況下，退火溫度已超過了軋制油的揮發溫度，即軋制油揮發速度小于軋制油碳化速度，從而形成了局部油斑揮發不干凈的退火油斑（圖3）。退火油斑在后期的腐蝕過程中會形成腐蝕光斑現象，屬于報廢品。

圖3 表面退火油斑

3 預防退火質量問題的措施

3.1 竄層的預防

我公司對竄層的預防主要采用外力阻止和減少內牽動力兩種方式。所謂外力阻止的措施，就是對每個退火的鋁箔卷采用耐高溫玻璃絲帶沿軸向綁定（圖4），以達到阻止鋁箔卷層的橫向竄動。所謂減少內牽動力的措施有，改善軋制板型，減少鋁箔內部殘余應力；調節抽真空的速度，減緩鋁箔表面油氣的揮發和抽出速度。通過上述的措施之后，可以有效的預防竄層，平均單卷箔竄層厚度可以控制在5 mm以內，減少損失11 kg/卷左右。

圖4 綁玻璃絲帶鋁箔卷示意圖

3.2 氧化的預防

通過前面的分析得知，氧化的原因可以概括為保護氣體純度不達標和設備發生泄漏兩個方面。因此對應的措施有，制定保護氣體使用前品質檢測制度，公司目前采用微量氧分析儀對每瓶保護氣體（N2）進行檢測，要求O2含量必須在10 ppm以內；同時在充氣過程中，要檢查每一次的連接管路是否良好無泄漏，以防止在充氣過程將大氣帶入退火爐內。針對設備發生泄漏的問題，一方面制定了設備泄漏率的檢測制度，做到定期檢查退火爐的密封狀況；另一方面通過制定每爐次生產前的密封部位檢查制度，防止有泄漏存在的情況下進行生產；再次是在生產過程注意觀察真空度顯示值的變化情況，當真空值出現不正常變化且退火溫度處于200℃以下時，及時停止生產，防止出現不必要的損失。

3.3 退火油斑的預防

根據上述的分析，針對退火油斑我們也是通過兩個方面采取措施進行控制。第一是控制來料的帶油，一方面制定措施加強對前工序生產設備的檢查，防止有粘度高的油品滴入鋁箔表面，另一方面對軋制完成的鋁箔進行表面的清洗，減少表面帶油量，然后再進行成品退火。第二是制定合理的退火速度，保證表面帶油充分揮發完全，防止出現未排除油氣的燒結碳化。

4 結論

通過上述的分析和措施的實施，高壓電子鋁箔成品退火的質量缺陷得到了良好的控制。總結上述的論述，要實現對高壓電子鋁箔退火品質的有效控制，應當從以下幾個方面進行關注和操作：

⑴要關注軋制來料的品質狀況對退火過程的影響，如軋制殘余應力和表面帶油的影響。

⑵要特別做對退火設備的性能維護工作，退火設備性能對品質的影響是至關重要的。

⑶退火工藝不僅決定了產品的特性品級，也對產品表面質量產生很重要的影響。

⑷退火過程控制是防止出現質量缺陷的另一個重要因素，作為生產過程主體的人，擔負對設備性能維護保持、正確執行作業工藝、及時定時認真檢查相關過程等任務，因此制定合理的作業制度和保證作業人員的執行力是防止退火產品質量缺陷出現的關鍵。