3104液晶背板“白斑點”缺陷分析及對策

王 森，楊 陽，劉 輝，吳永福

（1.中鋁河南洛陽鋁加工有限公司，洛陽471800；2.中鋁材料應用研究院有限公司，北京102200）

0 前言

3104 鋁合金屬于Al-Mn 系不可熱處理強化合金，同時含有一定量的Mg 元素，具有適中的強度、較好的加工成形性能、焊接性能和抗蝕性能等優點，被廣泛用于家用家電、食品包裝、建筑裝飾等行業。其中3104 鋁合金O 狀態1.2 mm 厚度左右鋁材，被用來加工成各種尺寸液晶顯示屏幕背板及臺式電腦顯示器背板等產品。

1 3104液晶背板表面白斑點情況

據客戶反饋，我公司生產的3104 鋁合金O 狀態的液晶背板鋁材，經過長途海運將近兩個月后到達客戶現場，雖外包裝完好無損，但在拆包使用時，卻發現背板表面出現嚴重的白色氧化斑點缺陷（以下簡稱白斑點）。

經對客戶郵寄樣片觀察，初步分析為材料不耐腐蝕。鋁及鋁合金在大氣和淡水中表現出優良的耐蝕性，但在實際使用中常常會出現腐蝕，在有些環境介質中還會出現點蝕、晶間腐蝕、剝蝕和應力腐蝕等，影響其性能和使用壽命[1]。

對該批次3104 液晶背板備用樣片進行取樣，并對客戶郵寄樣片及同批次備樣材料的化學成分和鹽霧試驗（NSS）進行檢測。

客戶郵寄樣片標記為樣片1，我公司備樣標記為樣片2，化學成分結果見表1。

表1 樣片1和樣片2化學成分（質量分數/%）

從樣片1 和樣片2 的化學成分檢測結果看，化學成分正常。

對樣片2進行鹽霧試驗，實驗條件為：模擬鋁卷運輸存放的中性氛圍環境（恒定溫度35 ℃，pH值7.1），實驗時間72 h。經測試，試驗樣片2 表面同樣出現了類似于樣片1的白斑點缺陷。

從樣片1 和樣片2 的對比可以看出，經過鹽霧試驗方法測試后的樣片2表面呈現出與客戶反饋一致的白斑點缺陷。鹽霧試驗進一步證明了我公司生產的3104 液晶背板材料耐蝕性不達標。需要對不耐腐蝕的原因進行分析。

2 白斑點產生原因分析

2.1 生產工藝流程

3104 鋁合金液晶背板生產工藝流程：熔煉鑄造→切頭鋸尾→鑄錠銑面→鑄錠均勻化→鑄錠加熱→熱軋機軋制→冷軋機軋制成品厚度→精整成品清洗→熱處理退火→精整成品包裝。

2.2 金相分析

對樣片1的白斑點處進行顯微組織觀察，結果見圖1。

從圖1可以看出，白斑點實際為分布較為密集的腐蝕孔聚集及其對周邊基體的點腐蝕。腐蝕進一步擴展，腐蝕產物堆積在金屬和保護層的界面處，形成內應力，在干燥階段，隨著水分子的流失，內應力得到釋放，腐蝕產物的“楔子效應”導致保護層的機械破損，形成了新的缺陷和縫隙[2]。在光學顯微鏡觀察下，腐蝕孔的位置為黑色襯度，說明腐蝕深度較深；在腐蝕孔邊緣還有分布較廣的灰色襯度區域，該區域腐蝕程度較腐蝕孔而言相對較淺，但仍然將板材原有的軋制線紋路腐蝕脫落。因此在肉眼觀察下，形成了明顯可見的白斑。

圖1 3104液晶背板白斑點處表面金相組織

為了更加清晰地觀察白斑點缺陷，特對白斑點處的縱向截面金相（RD-ND）進行觀察，發現白斑點處化合物分布較為密集，如圖2所示。

從圖2（a）白斑點位置的縱截面金相（RDND）可以發現，白斑點處化合物分布較密集，且化合物主要集中在鋁材的表層位置。從圖2（b）可見，較粗大化合物數量偏多的位置發生了深度腐蝕，腐蝕孔深入基材達50μm。通過以上金相分析可以看出，導致表層化合物較多的原因可能是鑄錠銑面量不足，表層氧化皮未銑凈所致。

圖2 白斑點處縱截面金相組織

2.3 掃描電鏡分析

通過進一步的掃描電鏡觀察，發現白斑點位置的腐蝕孔中散布著大量的化合物相。

由于化合物相的電極電位比Al 基體高，因此在化合物相周圍，化合物相與周圍的基體形成微小原電池，化合物相周圍的Al 基體優先腐蝕，形成腐蝕孔。點腐蝕是陽極反應的一種獨特形式，是一種自催化過程。隨著腐蝕過程的繼續，將導致其表面氧化膜的保護性減弱，電阻也進一步降低，同時還伴隨有氧化膜厚度的不斷變薄。當氧化膜溶解而露出合金基體時，合金基體開始腐蝕[3]。

圖3 經拋光后的白斑點位置表面形貌（RD-TD）

圖4 經拋光后的白斑點位置斷面形貌（RD-ND）

由于腐蝕程度不同，有些位置化合物相因周圍Al 基體均被腐蝕而掉落，而有些位置腐蝕程度較輕，化合物相仍然留在腐蝕孔中，即形成圖3和圖4中的形貌。

能譜成分分析（見圖5）發現，這些化合物相為α-Fe（AlFeMnSi）相（圖5 中譜圖1）和（Fe，Mn）Al6相（譜圖2～4）。

從EDS 分析結果看，影響3104 鋁合金耐蝕性的化合物相主要是α-Fe （AlFeMnSi） 相和（Fe，Mn）Al6相。得失電子的難易程度為：ALPHA 相最容易失去電子，Al6Mn 次之，Mg2Si 最難，其腐蝕電位大小關系應為Mg2Si>Al6Mn>ALPHA[4]（ALPHA即α相）。因此α-Fe（AlFeMnSi）相與Al基體之間的電位差要低于（Fe，Mn）Al6相，即這兩者相比較而言，α-Fe（AlFeMnSi）相對提高材料耐蝕性是有益的。

圖5 白斑點處EDS成分分析

鐵在鋁中的溶解度十分小，室溫下固溶度僅為0.002%，溫度500 ℃時也僅為0.005%，過剩的鐵往往生成陰極性相FeAl3，且易形成粗大片狀（Fe，Mn）Al6化合物。Si 與Mn 形成復雜三元相T（Al12Mn3Si2），與Mg 形成Mg2Si 析出相，與Fe 形成（Al，Fe，Mn，Si）四元相，Si可以促使一次晶化合物轉變為α相[5]。因此，若要控制粗大（Fe，Mn）Al6化合物含量，提升α相比例，提高材料耐蝕性，需要適當降低Fe元素，提高Si含量。

2.4 XRD物相分析

3104 合金中α相和（Fe，Mn）Al6相比例主要取決于鑄錠均勻化程度。合金中α相是在（Fe，Mn）Al6的基礎上“生長”出來的，因此隨著轉化率的增大，（Fe，Mn）Al6相逐步被吞噬，而α相的含量則相應增加[6]。為了更進一步判斷3104液晶背板材料中α-Fe（AlFeMnSi）相和（Fe，Mn）Al6相比例，對材料進行XRD物相分析，結果見表2。

表2 3104液晶背板鋁樣XRD物相分析結果

從表2 可以看出，（Fe，Mn）Al6相和α-Fe（AlFeMnSi）相位置的轉化比例偏低，都在20%左右。隨著溫度的進一步升高，轉化率進一步增加，在550～600 ℃附近達到最高水平，約為75%。即使溫度繼續升高至620 ℃，轉化率也沒有明顯增加[6]。

由于3104 液晶背板鑄錠均勻化溫度采用的是520 ℃，保溫時間8 h，偏低的均勻化溫度和較短的保溫時間導致兩相之間的轉化比例偏低，致使α-Fe（AlFeMnSi）相偏少，直接影響到材料的耐蝕性。

因此，為了提高（Fe，Mn）Al6相向α-Fe（AlFeMnSi）相轉變，延長鑄錠均勻化保溫時間或提高鑄錠均勻化溫度是提升3104 鋁合金材料耐蝕性的有效途徑。

3 改善3104背板白斑點問題的措施

鋁及鋁合金本身耐蝕是因為表面自動生成致密氧化膜防止腐蝕進一步擴大，但表面的化合物沒有自動生成致密氧化膜的功能，因此腐蝕最容易從化合物較多的地方開始產生。腐蝕產生后，原電池效應加劇了腐蝕的擴展，新腐蝕出的鋁基體也缺乏氧化膜的保護，因此腐蝕區以化合物為起點產生并擴大，未腐蝕區受到氧化膜的保護和腐蝕區鋁基體犧牲的保護，因此外觀完好。結合以上分析，改善提升3104背板材料耐腐蝕性的措施有以下幾點：

（1）增加鑄錠表面銑面量。從金相分析看，白斑點缺陷與化合物相有緊密的相關性。鋁材縱截面白斑點位置顯示，白斑點位置表層的化合物相分布較密集，且多集中在鋁材表層。需要增加鑄錠表面銑面量，以此來降低鋁材表層化合物的密布。

（2）調整合金中鐵元素和硅元素的含量。粗大的化合物相以及化合物相的聚集都會引起化合物相附近基材的點蝕。從掃描電鏡分析可知，影響3104鋁合金耐蝕性的相主要是α和（Fe，Mn）Al6，但α 相與Al 基體之間的電位差要低于（Fe，Mn）Al6相，因此需要盡可能保證α相比例占絕對優勢，以降低（Fe，Mn）Al6相占比。而鐵元素含量增多時，合金中化合物增多，且易形成粗大片狀（Fe，Mn） Al6化 合 物。Si 與Fe 形 成（Al，Fe，Mn，Si）四元相，可以促使一次晶化合物轉變為α相。

（3）延長合金鑄錠均勻化時間。α相是在（Fe，Mn）Al6相的基礎上轉變而來的。鑄錠溫度偏低的情況下，均勻化時間短導致α相轉化不充分。同時資料表明隨著保溫時間的延長，轉化率加大。

（4）提高合金鑄錠均勻化溫度。通過XDR物相分析可以看出，3104 液晶背板材料鑄錠均勻化溫度偏低，（Fe，Mn）Al6相和α-Fe（AlFeMnSi）相位置的轉化比例較低，甚至未到達50%。需要提升均勻化溫度以促使兩相間的轉化。

通過采取以上措施，3104 液晶背板材料耐蝕性問題得到改善，未再發生材料表面白斑點問題。

4 結論

（1）3104 鑄錠表面氧化層較厚時，需要增加鑄錠表面銑面量，減少表層化合物偏聚現象，以降低化合物偏聚引起的腐蝕。

（2）適當調整3104 合金成分，即提高Si 含量，降低Fe 含量，可以減少粗大（Fe，Mn）Al6相，促使α-Fe（AlFeMnSi）四元相比例增加，提升材料耐腐蝕性。

（3）延長鑄錠均勻化時間和提高鑄錠均勻化溫度，可以使Al6FeMn 相向α-Fe（AlFeMnSi）相轉變充分。當轉化比例達70%以上時，更加有利于提高3104合金的耐蝕性。