成品退火對高純鋁箔顯微組織及性能的影響

李永春，尹建平，陳家進，伍志銘，黃 奎，甘 勇

（1.廣西正潤新材料科技有限公司，賀州 542899；2.廣西容創新材料產業研究院有限公司，賀州 542899）

0 前言

鋁電解電容器因其容量大、價格便宜等優點占據著整個電容器市場的巨大份額[1]。而鋁光箔作為鋁電解電容器中高壓陽極箔生產原料，具有非常好的市場前景[2]。用于制備鋁電解電容器的高純鋁箔不僅要有較高的立方織構含量，還要保證一定的力學性能，才能在后續卷繞制備電容器時不至于被折斷[3]。前期有關成品退火對鋁箔立方織構影響方面的研究較多，但大部分都停留于單純的織構研究，缺乏對顯微組織、織構及力學性能的系統性研究，且所取的退火時間普遍較短。成品退火時間較短時立方織構含量無法達到較大的數值，繼續增加退火時間能進一步提高立方織構含量，實際生產中的成品退火時間一般在15~25 h。路全彬[4]研究了退火對高壓陽極鋁箔織構的影響，其研究結果表明延長退火時間立方織構有所提高，在240 ℃/1 h+540 ℃/l h下退火時，立方織構能達到97%以上。朱宏喜[5]研究了不同退火工藝對鋁箔比電容的影響，其研究結果表明，500 ℃退火2 h 時比容最高，且還有隨著退火時間繼續增大的傾向。劉建材等[6]研究了470~560 ℃區間內不同最終退火溫度對鋁箔后續發孔性能的影響，其研究結果表明500 ℃時退火有利于表面元素富集及均勻分布。楊俊杰[7]研究了最終退火對鋁箔立方織構的影響，其研究結果表明立方織構的含量隨著退火溫度的升高及時間的延長而增加，但溫度超過580 ℃后再延長退火時間立方織構無明顯變化。

本文對軋制完成后的高純鋁箔進行成品退火處理，選取500 ℃作為退火溫度，結合實際生產情況設定比已有研究更長的退火時間，系統性地研究了不同退火時間對晶粒織構分布及含量、晶粒取向分布、平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、抗拉強度及延伸率的影響，為工業生產中進一步提高鋁箔性能提供參考。

1 實驗材料及方法

高純鋁箔生產工序可簡要分為熔鑄→熱軋→冷軋→箔軋→中間退火→（箔軋）終軋→拉矯→清洗→剪切→成品退火（最終退火/再結晶退火）等工序。本實驗材料取自某公司剪切工序半成品，其熔鑄工序使用的原料為鋁含量99.996%的偏析法高純鋁。

將上述剪切工序產物在博萊曼特高溫管式爐中進行成品退火處理，退火溫度設定為500 ℃，退火時間分別設定為12 h、15 h、18 h 和21 h。織構含量及分布、晶粒取向差分布圖、取向分布函數ODF圖、平均晶粒尺寸以及晶粒尺寸分布均使用配有牛津EBSD 的日本電子掃描電鏡JSM-IT500 進行檢測。其檢測方法為先用Aztec 軟件進行采集，再導出到channel 5 軟件中進行分析，輸出相應圖表數據。抗拉強度及延伸率使用亞豐公司的拉力試驗機YF-8600A進行檢測。

2 實驗結果與討論

2.1 退火時間對織構及取向的影響

退火時間對高純鋁箔取向分布的影響如圖1所示，分別示出了500 ℃下退火0 h、6 h、12 h、15 h、18 h 及21 h 后的取向分布圖。從圖1 中可以看出，未進行成品退火前存在一定量的R織構和少量的立方織構；退火6 h 及以上后，織構類型全部為立方織構織構，R織構幾乎檢測不到。

圖1 不同退火時間對取向分布的影響

退火時間對高純鋁箔立方織構含量的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，立方織構含量隨著退火時間的增加而增加，增加速度在前6 h 階段最快，在退火15 h后明顯變緩。退火0 h、6 h、12 h、15 h、18 h 及21 h 后的立方織構織構含量分別為7.5%、93.7%、97.4%、98.8%、99.1%和99.3%。可見，退火<6 h 時，立方織構含量達不到行業基本要求的95%及以上。

圖2 退火時間對立方織構含量的影響

退火時間對高純鋁箔晶粒取向差分布情況的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，退火12 h、15 h、18 h及21 h的取向差皆主要分布在15°以內。雖然15°以后在圖上基本看不出變化，但在數據上體現出來的是多處大角度對應含量從0.01%~0.13%變成0%。對15°以內的數據進行求和，得出的百分比含量總和呈現略微增加的趨勢。張靜[8]在研究慢速加熱退火對F-P-LG5 微觀組織的影響時發現，在慢速加熱退火的不同退火時間取向差分布圖中也出現了類似的實驗現象，并指出這是因為不同立方織構取向晶粒互相合并，原大角度晶界逐漸轉變成小角度晶界所致。

圖3 退火時間對晶粒取向分布差的影響

退火時間對ODF 圖的影響如圖4 所示。從圖4中可以看出，4組退火時間表現出來的結果全部為立方織構特征，個別角度的圖有細微差異，但不明顯。考慮這是由于立方織構含量僅相差不足2%、且晶粒取向分布差區別較小所致。

圖4 退火時間對ODF圖的影響

2.2 退火時間對晶粒尺寸的影響

退火時間對平均晶粒尺寸的影響如圖5 所示。從圖5中可以看出，隨著退火時間的增加，平均晶粒尺寸呈現增加趨勢，但增加速度逐漸變緩。晶粒長大主要由驅動力和阻力決定，阻力隨著晶粒的長大逐漸增加，當阻力逐漸增大到接近驅動力時，晶粒尺寸增速逐漸降低。

圖5 退火時間對平均晶粒尺寸的影響

退火時間對晶粒尺寸分布情況的影響如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著退火時間的增加，尺寸在50 μm 以下的晶粒含量迅速減小，50~150 μm的晶粒含量明顯增加，150 μm 以上的晶粒含量變化不大。隨著退火時間的增加，小尺寸晶粒逐漸被周圍150 μm 以下尺寸的晶粒吞并，而已長成大尺寸的晶粒因其驅動力與阻力差值變小，吞并能力變弱。汪群在其論文[9]中指出，具有一定尺寸的晶粒會隨著退火時間的延長吞并周圍其它小尺寸晶粒繼續長大，在長大過程會因逐漸消耗很多儲存能而造成驅動力變小，致使晶粒長大到較大尺寸后進一步長大的能力變弱，最終長大速率變慢并趨于平緩。

圖6 不同退火時間對晶粒尺寸分布情況的影響

2.3 退火時間對力學性能的影響

退火時間對抗拉強度及延伸率的影響如圖7所示。從圖7中可以看出，不同退火時間下的抗拉強度在28~29 MPa 之間，延伸率在5.5%~6.5%范圍內，皆隨著退火時間的增加而降低。一方面，晶粒內部的原子排列較為規則，容易產生滑移和變形，晶界上的原子排列較為凌亂，存在許多缺陷，使得原子面之間不易滑移和變形。但成品退火使晶粒變大，晶界變少，位錯減少，進而引起內應力下降，造成抗拉強度降低；另一方面，晶粒越細小，晶粒數量越多，晶界也越多，其內的變形就能被晶界有效抑制，外來的沖擊載荷可以分散到更多的晶粒內及晶界間，晶界也會阻止裂紋的擴展，使金屬材料的力學性能提高。但成品退火使晶粒變大，晶粒粗大使韌性變差，延伸率降低。

圖7 退火時間對抗拉強度及延伸率的影響

3 結論

（1）高純鋁箔在500 ℃下成品退火6 h、12 h、15 h、18 h 和21 h 后，其立方織構含量分別為93.7%，97.4%、98.8%、99.1%和99.3%，R織構幾乎檢測不到。

（2）退火12 h、15 h、18 h和21 h的取向差皆主要分布在15°以內，隨著退火時間的增加，多處大角度對應含量從0.01%~0.13%變成0%，15°以內的百分比含量總和呈現略微增加的趨勢。

（3）隨著退火時間的增加，尺寸在50 μm 以下的晶粒含量迅速減小，50~150 μm尺寸的晶粒含量明顯增加，150 μm 尺寸以上的晶粒含量變化不大。

（4）退火12 h、15 h、18 h和21 h后的抗拉強度在28~29 MPa 之間，延伸率在5.5%~6.5%范圍內，皆隨著退火時間的增加而降低。