鋁合金殼體材料黑線問題的研究與解決

趙斌南，蔣軍洪

（昆山市超群金屬制品有限公司，昆山215321）

0 前言

鋁合金材料具有質量輕、強度高、散熱快、電磁屏蔽效果好、耐候、耐腐蝕等優良性能，表面裝飾豐富多彩，回收方便，無毒害，環保性能優異，已經逐步替代工程塑料（PC+ABS）成為電子產品外殼的主要材料[1]。

作為高端電子產品的筆記本、手機外殼，具有極強的裝飾性，不僅機械性能要求高，而且要求外表精美。所以對經過機加工和表面處理后的鋁外殼，不允許有黑點、異色、劃痕等肉眼所能發現的缺陷。目前，原材料不良造成的加工氧化后的黑線問題通常是鋁合金殼體材料不良中最多的一類，業界尚沒有對其產生原因進行系統分析。

1 黑線問題的調查分析

1.1 黑線問題描述

電子產品的加工過程：鋁排→降面→打磨→噴砂→陽極氧化。黑線一般在噴砂工序前難以發現（嚴重的黑線在噴砂后可以被發現），在陽極氧化后方可發現。所有黑線都是沿著擠壓變形方向排列，分布在工件表面（見圖1）。

圖1黑線樣品

對樣品進行弱堿腐蝕后，工件表層的氧化膜可全部腐蝕掉，但黑線仍然很明顯存在工件上，說明黑線不是由于陽極氧化造成的，而是由于鋁材料中存在的夾雜物在擠壓過程中被拉長所致。黑線超過約定比例（一般為2%）產品將視為不合格。

為進一步搞清黑線產生的原因，需對黑線進行定量分析，確定黑線成分，并制定解決措施。

1.2 黑線的電鏡分析

將黑線樣品進行前期處理，去除表面氧化膜，酒精清洗后吹干，放在電鏡下進行掃描分析。結果發現，缺陷處存在大量的凹坑和許多小顆粒夾雜物（見圖2）。

圖2典型黑線樣品的形貌（放大1000倍）

對3個黑線樣品進行定量成分分析，分析結果分別如圖3～圖5所示。通過分析可推測，黑線的主要成分為氧化鋁夾雜物、鎂鋁尖晶石、硅的氧化物、含鈦化合物及含鐵化合物。因此，提高熔體質量，保證均質效果，防止過程污染是解決黑線的關鍵。

圖3 1號樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

圖4 2號樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

圖5 3號樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

2 黑線的解決方案

2.1 工藝操作變更對黑線的影響

在熔鑄工藝過程中首先要注意提升熔體質量，保證均質效果。通過對熔鑄全過程工序進行的大量實驗發現，下列工藝操作變更對黑線的影響較大：（1）爐組全部大清理，減少積渣，產品黑線減少；（2）優化精煉工藝、提高精煉效果，產品黑線減少；（3）增加鋁鈦硼絲在線添加量，產品黑線增加；（4）將50ppi過濾板更換為70ppi過濾板，產品黑線增加；（5）降低鋁水流量速度，產品黑線減少；（6）采用較低溫度（545℃）均質，產品黑線增加；（7）鑄棒頭部黑線與尾部黑線統計對比，頭部出現黑線多于尾部。

2.2 熔鑄生產關鍵控制點

結合黑線的能譜分析結果及工藝研究的實驗數據，對整個熔鑄過程的關鍵控制點進行梳理（見圖6）。為保證鋁熔體質量和均質效果，下面對圖6中30個關鍵點進行詳細分類的分析。

圖6黑線防控關鍵要素圖

（1）熔化階段的關鍵控制點：此階段主要是原材料的添加、合金調配及熔體凈化階段。首先，是原材料的質量控制，鋁錠等原材料的質量很大程度上決定最終產品質量，宜選用雜質元素較低、夾雜物含量比較少的鋁錠和中間合金，這方面可通過斷口分析、光譜分析、外觀檢查進行質量控制；其次，熔劑和氬氣的防潮也是關鍵點，熔劑水量應低于0.2%。氬氣的純度應達到99.999%以上，水含量控制在4×10-6以下；合理控制精煉溫度，規范精煉操作（制定專門的精煉路線和控制鋁液翻滾高度），保證熔劑均勻加入到鋁熔體中，保證精煉效果；定期進行清爐，防止由于爐內積渣過多，將夾渣帶入鋁水中。

（2）鋁鈦硼絲的選擇及添加對黑線的影響非常大。對鈦絲的選擇來說，要求TiAl3粒子均勻分布，且尺寸細小（＜100μm），TiB2團聚物總長不應超過25μm，Al2O3及鹽類附著物總長度不應超過500μm。TiB2粒子與氧化鋁的親和力非常強，TiB2粒子的濃度過大將導致TiB2團聚及大量TiB2粒子和氧化鋁的附著物產生。相比AlTi5B1，AlTi5B0.2的TiB2粒子數量較少，TiB2粒子和氧化鋁的附著物也較少，因此，使用AlTi5B0.2產生黑線的概率也大為降低。鈦絲的添加位置宜添加到除氣箱之前，鈦絲在進入除氣箱的時候，除氣轉子攪拌可保證鈦絲的充分熔解，同時也有利于保證其充足的響應時間。鈦絲添加量在保證晶粒尺寸符合要求及不開裂的情況下，不宜添加過多，一般在線鈦添加量＜0.008%，過多容易導致鈦沉積，引起后續黑線問題。

（3）除氣階段的關鍵控制點：除氣箱不僅有除氣功能，同時在除氣的過程中，通過泡沫浮選的原理，可以將鋁液中的微小夾雜物除去。在此階段，除氣箱的清理維護、除氣轉子的轉速、氬氣流量匹配以及生產前對除氣箱內襯的清洗等都非常重要。

（4）過濾階段的關鍵控制點：過濾是鋁鑄造過程中的最后一道除渣，應重點做好過濾箱的清理、維護、過濾板的入廠檢驗（外觀及壓力試驗等）等。應注意過濾板的等級要求，不是過濾板的等級越高，過濾效果就越好，需要結合過濾板的最佳鑄造流量進行匹配，否則會出現過濾板等級越高，反而產品質量越差。此外，過濾板的安裝密封性能，以及鑄造過程中過濾板是否開裂、上浮、傾斜等使用異常情況也很重要，應密切關注，及時處理。

（5）鑄造階段的關鍵控制點：鑄造階段是鋁液成型階段，也是最容易出現問題的階段。應重點關注平臺及結晶器的清潔維護，其清理質量決定鑄棒頭部質量。鑄造過程中的溫度控制、流量控制、液位差控制、雜物引入等都將影響到最終產品質量。因此，應當保持合理的鑄造溫度，保證鋁液不凝盤、不拉漏等，鑄造流量應與過濾板尺寸及等級匹配。在鑄造過程中，應密切關注液位差的波動情況，保持較低的液位差有利于保證產品質量。

（6）均質階段的關鍵控制點：鐵是鋁合金中的主要雜質元素，Fe在鋁中的存在形態有兩種，一種是針狀（或稱片狀）結構的β-AlFeSi，一種為球狀結構的α-AlFeSi，針狀結構的β相要比球狀結構α相破壞性大的多[2]。β相可使鋁型材表面粗糙、機械性能、抗蝕性能變差，擠壓過程中被拉長，形成黑線問題。在均質過程中，β-AlFeSi會轉化為α-AlFeSi，因此，良好的均質效果可降低黑線比例。每批次必須將AlFeSi相的轉化率控制在90%以上（在不過燒的情況下，必須保證足夠的均質溫度和保溫時間，6063合金一般均質溫度達要到570℃，保溫時間4h以上），才能保證后續產品的質量。

3 結束語

黑線的產生是一個系統問題，可以肯定的是，鑄棒的冶金質量好壞，是解決黑線問題的關鍵。如何保證鑄棒冶金質量，那就必須保證鋁熔體質量和均質效果，并防止過程污染。熔體質量的提高和防止過程污染，需要從熔化到最終鑄造每個過程的精細化管理。均質效果必須通過執行合理的均質工藝才能達到。本文通過對熔鑄全過程的梳理研究，總結出30個關鍵點，并通過建立每個關鍵點的檢查標準，實施三級檢查，保證措施落實到位。鋁排產品黑線不良率持續保持在1%以下，有效降低了產品的報廢率，得到客戶的一致好評。