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        鋁合金殼體材料黑線問(wèn)題的研究與解決

        2019-04-08 07:47:52趙斌南蔣軍洪
        鋁加工 2019年6期
        關(guān)鍵詞:黑線均質(zhì)熔體

        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(zhì)量輕、強(qiáng)度高、散熱快、電磁屏蔽效果好、耐候、耐腐蝕等優(yōu)良性能,表面裝飾豐富多彩,回收方便,無(wú)毒害,環(huán)保性能優(yōu)異,已經(jīng)逐步替代工程塑料(PC+ABS)成為電子產(chǎn)品外殼的主要材料[1]。

        作為高端電子產(chǎn)品的筆記本、手機(jī)外殼,具有極強(qiáng)的裝飾性,不僅機(jī)械性能要求高,而且要求外表精美。所以對(duì)經(jīng)過(guò)機(jī)加工和表面處理后的鋁外殼,不允許有黑點(diǎn)、異色、劃痕等肉眼所能發(fā)現(xiàn)的缺陷。目前,原材料不良造成的加工氧化后的黑線問(wèn)題通常是鋁合金殼體材料不良中最多的一類,業(yè)界尚沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行系統(tǒng)分析。

        1 黑線問(wèn)題的調(diào)查分析

        1.1 黑線問(wèn)題描述

        電子產(chǎn)品的加工過(guò)程:鋁排→降面→打磨→噴砂→陽(yáng)極氧化。黑線一般在噴砂工序前難以發(fā)現(xiàn)(嚴(yán)重的黑線在噴砂后可以被發(fā)現(xiàn)),在陽(yáng)極氧化后方可發(fā)現(xiàn)。所有黑線都是沿著擠壓變形方向排列,分布在工件表面(見(jiàn)圖1)。

        圖1黑線樣品

        對(duì)樣品進(jìn)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(shuō)明黑線不是由于陽(yáng)極氧化造成的,而是由于鋁材料中存在的夾雜物在擠壓過(guò)程中被拉長(zhǎng)所致。黑線超過(guò)約定比例(一般為2%)產(chǎn)品將視為不合格。

        為進(jìn)一步搞清黑線產(chǎn)生的原因,需對(duì)黑線進(jìn)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(jìn)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(jìn)行掃描分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),缺陷處存在大量的凹坑和許多小顆粒夾雜物(見(jiàn)圖2)。

        圖2典型黑線樣品的形貌(放大1000倍)

        對(duì)3個(gè)黑線樣品進(jìn)行定量成分分析,分析結(jié)果分別如圖3~圖5所示。通過(guò)分析可推測(cè),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(zhì)量,保證均質(zhì)效果,防止過(guò)程污染是解決黑線的關(guān)鍵。

        圖3 1號(hào)樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

        圖4 2號(hào)樣黑線位置的形貌及EDS能譜成分分析

        圖5 3號(hào)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(duì)黑線的影響

        在熔鑄工藝過(guò)程中首先要注意提升熔體質(zhì)量,保證均質(zhì)效果。通過(guò)對(duì)熔鑄全過(guò)程工序進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),下列工藝操作變更對(duì)黑線的影響較大:(1)爐組全部大清理,減少積渣,產(chǎn)品黑線減少;(2)優(yōu)化精煉工藝、提高精煉效果,產(chǎn)品黑線減少;(3)增加鋁鈦硼絲在線添加量,產(chǎn)品黑線增加;(4)將50ppi過(guò)濾板更換為70ppi過(guò)濾板,產(chǎn)品黑線增加;(5)降低鋁水流量速度,產(chǎn)品黑線減少;(6)采用較低溫度(545℃)均質(zhì),產(chǎn)品黑線增加;(7)鑄棒頭部黑線與尾部黑線統(tǒng)計(jì)對(duì)比,頭部出現(xiàn)黑線多于尾部。

        2.2 熔鑄生產(chǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)

        結(jié)合黑線的能譜分析結(jié)果及工藝研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)熔鑄過(guò)程的關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行梳理(見(jiàn)圖6)。為保證鋁熔體質(zhì)量和均質(zhì)效果,下面對(duì)圖6中30個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分類的分析。

        圖6黑線防控關(guān)鍵要素圖

        (1)熔化階段的關(guān)鍵控制點(diǎn):此階段主要是原材料的添加、合金調(diào)配及熔體凈化階段。首先,是原材料的質(zhì)量控制,鋁錠等原材料的質(zhì)量很大程度上決定最終產(chǎn)品質(zhì)量,宜選用雜質(zhì)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(guò)斷口分析、光譜分析、外觀檢查進(jìn)行質(zhì)量控制;其次,熔劑和氬氣的防潮也是關(guān)鍵點(diǎn),熔劑水量應(yīng)低于0.2%。氬氣的純度應(yīng)達(dá)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(guī)范精煉操作(制定專門(mén)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(jìn)行清爐,防止由于爐內(nèi)積渣過(guò)多,將夾渣帶入鋁水中。

        (2)鋁鈦硼絲的選擇及添加對(duì)黑線的影響非常大。對(duì)鈦絲的選擇來(lái)說(shuō),要求TiAl3粒子均勻分布,且尺寸細(xì)?。ǎ?00μm),TiB2團(tuán)聚物總長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)25μm,Al2O3及鹽類附著物總長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)500μm。TiB2粒子與氧化鋁的親和力非常強(qiáng),TiB2粒子的濃度過(guò)大將導(dǎo)致TiB2團(tuán)聚及大量TiB2粒子和氧化鋁的附著物產(chǎn)生。相比AlTi5B1,AlTi5B0.2的TiB2粒子數(shù)量較少,TiB2粒子和氧化鋁的附著物也較少,因此,使用AlTi5B0.2產(chǎn)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(jìn)入除氣箱的時(shí)候,除氣轉(zhuǎn)子攪拌可保證鈦絲的充分熔解,同時(shí)也有利于保證其充足的響應(yīng)時(shí)間。鈦絲添加量在保證晶粒尺寸符合要求及不開(kāi)裂的情況下,不宜添加過(guò)多,一般在線鈦添加量<0.008%,過(guò)多容易導(dǎo)致鈦沉積,引起后續(xù)黑線問(wèn)題。

        (3)除氣階段的關(guān)鍵控制點(diǎn):除氣箱不僅有除氣功能,同時(shí)在除氣的過(guò)程中,通過(guò)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(hù)、除氣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、氬氣流量匹配以及生產(chǎn)前對(duì)除氣箱內(nèi)襯的清洗等都非常重要。

        (4)過(guò)濾階段的關(guān)鍵控制點(diǎn):過(guò)濾是鋁鑄造過(guò)程中的最后一道除渣,應(yīng)重點(diǎn)做好過(guò)濾箱的清理、維護(hù)、過(guò)濾板的入廠檢驗(yàn)(外觀及壓力試驗(yàn)等)等。應(yīng)注意過(guò)濾板的等級(jí)要求,不是過(guò)濾板的等級(jí)越高,過(guò)濾效果就越好,需要結(jié)合過(guò)濾板的最佳鑄造流量進(jìn)行匹配,否則會(huì)出現(xiàn)過(guò)濾板等級(jí)越高,反而產(chǎn)品質(zhì)量越差。此外,過(guò)濾板的安裝密封性能,以及鑄造過(guò)程中過(guò)濾板是否開(kāi)裂、上浮、傾斜等使用異常情況也很重要,應(yīng)密切關(guān)注,及時(shí)處理。

        (5)鑄造階段的關(guān)鍵控制點(diǎn):鑄造階段是鋁液成型階段,也是最容易出現(xiàn)問(wèn)題的階段。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注平臺(tái)及結(jié)晶器的清潔維護(hù),其清理質(zhì)量決定鑄棒頭部質(zhì)量。鑄造過(guò)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(chǎn)品質(zhì)量。因此,應(yīng)當(dāng)保持合理的鑄造溫度,保證鋁液不凝盤(pán)、不拉漏等,鑄造流量應(yīng)與過(guò)濾板尺寸及等級(jí)匹配。在鑄造過(guò)程中,應(yīng)密切關(guān)注液位差的波動(dòng)情況,保持較低的液位差有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

        (6)均質(zhì)階段的關(guān)鍵控制點(diǎn):鐵是鋁合金中的主要雜質(zhì)元素,F(xiàn)e在鋁中的存在形態(tài)有兩種,一種是針狀(或稱片狀)結(jié)構(gòu)的β-AlFeSi,一種為球狀結(jié)構(gòu)的α-AlFeSi,針狀結(jié)構(gòu)的β相要比球狀結(jié)構(gòu)α相破壞性大的多[2]。β相可使鋁型材表面粗糙、機(jī)械性能、抗蝕性能變差,擠壓過(guò)程中被拉長(zhǎng),形成黑線問(wèn)題。在均質(zhì)過(guò)程中,β-AlFeSi會(huì)轉(zhuǎn)化為α-AlFeSi,因此,良好的均質(zhì)效果可降低黑線比例。每批次必須將AlFeSi相的轉(zhuǎn)化率控制在90%以上(在不過(guò)燒的情況下,必須保證足夠的均質(zhì)溫度和保溫時(shí)間,6063合金一般均質(zhì)溫度達(dá)要到570℃,保溫時(shí)間4h以上),才能保證后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        黑線的產(chǎn)生是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題,可以肯定的是,鑄棒的冶金質(zhì)量好壞,是解決黑線問(wèn)題的關(guān)鍵。如何保證鑄棒冶金質(zhì)量,那就必須保證鋁熔體質(zhì)量和均質(zhì)效果,并防止過(guò)程污染。熔體質(zhì)量的提高和防止過(guò)程污染,需要從熔化到最終鑄造每個(gè)過(guò)程的精細(xì)化管理。均質(zhì)效果必須通過(guò)執(zhí)行合理的均質(zhì)工藝才能達(dá)到。本文通過(guò)對(duì)熔鑄全過(guò)程的梳理研究,總結(jié)出30個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),并通過(guò)建立每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的檢查標(biāo)準(zhǔn),實(shí)施三級(jí)檢查,保證措施落實(shí)到位。鋁排產(chǎn)品黑線不良率持續(xù)保持在1%以下,有效降低了產(chǎn)品的報(bào)廢率,得到客戶的一致好評(píng)。

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