鄭忱奕，覃秋慧

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

鋁合金卷材具有密度低、耐腐蝕、易加工、尺寸精度高、板形良好、組織性能均勻等多種優(yōu)點，在汽車、電子產(chǎn)品、室內(nèi)外裝修、醫(yī)療藥物包裝等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。然而，對于汽車外板、平板電腦外殼等對表面質(zhì)量要求極高的產(chǎn)品，卷材原料的表面質(zhì)量會極大地影響成品表面質(zhì)量，例如，在噴漆、陽極氧化等工序中，原材料的表面缺陷會在成品表面愈加明顯[2-3]。因此，保證鋁合金卷材產(chǎn)品擁有良好的表面質(zhì)量至關(guān)重要。

黑條是一種在鋁合金卷材表面常見的質(zhì)量缺陷，其主要特征是缺陷位置相對于正常卷材表面在視覺上呈黑色，且具有條紋狀形貌，條紋的長度方向基本平行于軋制方向[4]。

對于黑條缺陷產(chǎn)生原因，王文霞[5]等通過對比不同的鋁合金冷軋潤滑條件，發(fā)現(xiàn)相比于純油潤滑，在乳液潤滑(潤滑不足)狀態(tài)下更容易產(chǎn)生黑條缺陷，并發(fā)現(xiàn)在黑條處發(fā)生了氧化、鋁粉富集。李嚴法[6]等提出黑條的產(chǎn)生是由于軋制過程中局部油膜的潤滑能力下降導(dǎo)致鋁粉壓入而形成，并提出了多種乳液成分調(diào)整方案以提高潤滑能力。Yan Li[7]等，對黑條區(qū)域的粗糙度以及化學(xué)成分進行分析，提出過高的軋制速度將導(dǎo)致油膜無法在有限的時間內(nèi)擴展開，從而出現(xiàn)部分區(qū)域潤滑不足而導(dǎo)致黑條形成。Takahashi Toru[8]等認為黑條是由于軋輥表面發(fā)生粘鋁或油膜破裂導(dǎo)致軋制過程中卷材局部受力增加，且由于基體與第二相之間存在變形抗力的差異，在變形后的基體與第二相之間產(chǎn)生了間隙，這種間隙在后續(xù)的軋制過程中持續(xù)被拉長，同時有鋁粉被壓入間隙中從而產(chǎn)生黑條。陳國生[9]，通過分析黑條的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)在熔鑄過程中，耐火材料進入熔體可能會導(dǎo)致帶有夾渣的黑條缺陷形成，夾渣雜質(zhì)呈破碎狀，主要成分是Si、O、Al、C。胡冠奇[10]等，對電解鋁液鑄軋鋁板表面的黑條進行成分分析，提出黑條是由于熔煉過程中鋁液扒渣不干凈，熔體過濾效果不佳，導(dǎo)致雜質(zhì)混入熔體中而產(chǎn)生黑條。

雖然已有不少學(xué)者對鋁合金卷材黑條缺陷的形成機制進行了研究，但是鮮有文章對鋁合金卷材表面黑條缺陷的種類以及形貌進行分類討論。本文作者主要針對鋁合金卷材軋制、轉(zhuǎn)運過程中產(chǎn)生的黑條進行討論，并對黑條缺陷種類進行了細分，提出相應(yīng)消除措施。

1 黑條缺陷的形貌及化學(xué)成分

鋁合金卷材的生產(chǎn)工藝流程：鑄造→均勻化熱處理→鑄錠銑面→預(yù)熱→熱粗軋→熱精軋→冷軋→中間退火→冷軋→固溶淬火(可熱處理強化鋁合金)→時效過程(可熱處理強化鋁合金)→精整→成品包裝。

在鋁合金卷材成品中取6016、5083、3003鋁合金的黑條缺陷樣品，使用光學(xué)顯微鏡(OM)對未清洗、清洗后(乙醇溶液超聲清洗)的黑條缺陷進行觀察。使用SEM(ZEISS，EVO18)對未清洗的黑條缺陷進行觀察，加速電壓為20 kV，工作距離9.5 mm，束流80 μA，并通過EDS(OXFORD INSTRUMENTS，INCAX-MAX20)分析黑條區(qū)域內(nèi)的化學(xué)成分。使用1000目SiC砂紙對黑條缺陷位置進行打磨，當(dāng)打磨至黑條消失時，使用千分尺測量打磨前后缺陷位置厚度變化，得出黑條缺陷深度。

1.1 油污型黑條形貌與化學(xué)成分

圖1為6016-T4鋁合金卷材上出現(xiàn)的油污型黑條的形貌。由圖1a可見，在約100 mm×100 mm的卷材范圍內(nèi)有1～2處黑條，黑條缺陷一般單獨出現(xiàn)，長度為3 mm～15 mm，寬度為100 μm～200 μm。通過OM觀察到的油污型黑條在未清洗狀態(tài)下呈棕色。通過OM觀察到的油污型黑條經(jīng)過乙醇溶液超聲清洗后棕色污漬消失，顯現(xiàn)出與基體顏色相近的條狀損傷。使用1000目SiC砂紙對黑條位置進行打磨，得出油污型黑條的深度為5 μm～9 μm。

圖1 油污型黑條形貌Fig.1 Shape of oil-contaminated black streak

表1為圖1d中各點經(jīng)EDS分析后的化學(xué)成分。油污型黑條區(qū)域內(nèi)主要存在O、C含量較高的點(如B點)。O、C主要是由于軋制過程使用的潤滑油、乳液殘留而產(chǎn)生。Fe、Cr含量較高的點(如C點)在黑條缺陷位置的橫截面上并未發(fā)現(xiàn)有粗大的第二相或其他非正常元素富集，因此Fe、Cr的來源應(yīng)是軋制過程中鋼制軋輥發(fā)生磨損后生成的軋輥微粒。而相對于黑條位置，基體(如A點)并不存在O、C、Fe、Cr元素的富集。

表1 圖1d中各點的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of points in Fig.1(wt/%)

1.2 微裂紋型黑條形貌與化學(xué)成分

圖2為5083-O鋁合金卷材上出現(xiàn)的微裂紋型黑條的形貌。在約100 mm×100 mm卷材范圍內(nèi)，肉眼有30～40處黑條，黑條一般均勻地分布于整個卷材表面，黑條長度為2 mm～10 mm，寬度為100 μm～200 μm。此外，隨著卷材厚度的降低，微裂紋型黑條有愈發(fā)明顯的趨勢。在未清洗狀態(tài)下，通過OM觀察微裂紋型黑條與基體的相同，并不存在明顯的發(fā)黑現(xiàn)象。經(jīng)過乙醇溶液超聲清洗后，微裂紋位置相對于清洗前無明顯變化，且肉眼觀察清洗后的黑條位置仍然呈現(xiàn)黑色。使用1000目SiC砂紙對黑條位置進行打磨，得出微裂紋型黑條的深度為1 μm～2 μm。

表2為圖2d中各個點經(jīng)EDS分析后的化學(xué)成分。微裂紋型黑條處(E點)僅O含量相對于基體(D點)有所升高，其余元素含量與基體相近，說明黑條位置發(fā)生一定程度的氧化。此外，在黑條缺陷位置的橫截面上未發(fā)現(xiàn)有粗大的第二相或其他非正常元素富集。

表2 圖2d中各點的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)Table 2 Chemical composition of points in Fig.2d(wt/%)

1.3 微動磨損型黑條形貌與化學(xué)成分

圖3為3003-H24鋁合金卷材上出現(xiàn)的微動磨損型黑條的形貌。在約100 mm×100 mm的卷材范圍內(nèi)，肉眼觀察有20～30處黑條，微動磨損型黑條一般分布于卷材邊部位置，而且在卷材的上下表面對稱分布，黑條長度為2 mm～15 mm，寬度為0.5 mm～2 mm。在未清洗情況下，通過OM觀察微動磨損型黑條，與上述兩種其他類型的黑條缺陷不同，微動磨損型黑條并不平行于軋制紋路。經(jīng)過乙醇溶液超聲清洗后，相對于清洗前無明顯變化，仍然呈黑色，肉眼觀察清洗后的黑條同樣呈黑色。使用1000目SiC砂紙對黑條位置進行打磨，得出微動磨損型黑條的深度為3 μm～5 μm。

表3為圖3d中各個點經(jīng)EDS分析后的化學(xué)成分。微動磨損型黑條范圍內(nèi)O含量相對于基體有明顯升高，G點的O元素含量已經(jīng)達到39.67%，說明該類黑條位置發(fā)生了嚴重的氧化，表面生成了黑色的氧化物粉末。此外，在黑條缺陷位置的橫截面上未發(fā)現(xiàn)粗大的第二相或其他非正常元素富集。

表3 圖3d中各點的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 3 Chemical composition of points in Fig.3d(wt/%)

圖3 微動磨損型黑條形貌Fig.3 Shape of fretting-wear black streak

2 黑條缺陷產(chǎn)生的原因

2.1 油污型黑條的成因

油污型黑條一般單獨出現(xiàn)在卷材表面，且該類黑條位置存在著深度較大的條紋狀損傷，損傷位置由于殘留的油污發(fā)生燒結(jié)而發(fā)黑。在卷材的生產(chǎn)過程中，若卷曲、軋制過程工況不良，很容易在卷材表面產(chǎn)生條紋狀損傷，其主要原因：

1)卷材在生產(chǎn)過程中發(fā)生了粘傷。粘傷是一種由于卷材層與層之間緊密接觸的位置發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的條紋狀損傷缺陷。開卷張力大于卷曲張力導(dǎo)致卷材層間繃緊，發(fā)生劇烈摩擦；卷材板形差，部分位置凸度較大；鋼帶未打緊，導(dǎo)致卷材層間松動而引起粘傷。

2)乳液或潤滑油灰分中存在硬質(zhì)顆粒(例如軋輥磨損后的微粒)。由于鋁材相對較軟(特別是在熱軋過程中)，乳液、潤滑油中的硬質(zhì)顆粒會在軋制過程被壓入鋁材表面，并在后續(xù)的軋制過程中被拉長，從而形成條紋狀損傷。

3)軋輥表面存在粘鋁。粘鋁是一種在軋輥表面粘附鋁層的現(xiàn)象，由于鋁合金易形成脆硬的氧化膜，在軋制過程中，若局部潤滑較差導(dǎo)致氧化膜破裂，則基體金屬會直接與軋輥接觸，又因為越易固溶的金屬越容易發(fā)生粘結(jié)[11]，在鋁合金卷材的軋制溫度下(熱精軋溫度50 ℃～350 ℃)，鋁在鐵中的固溶度達到10%以上[12]，易發(fā)生粘鋁現(xiàn)象。在粘鋁位置發(fā)生的是同類金屬間的摩擦，摩擦因數(shù)增大[13]。而附著在軋輥上的粘鋁常為條狀形貌，從而產(chǎn)生了條紋狀形貌的損傷。

圖4為導(dǎo)致油污型黑條產(chǎn)生的示意圖。

圖4 油污型黑條形成的示意圖Fig.4 Schematic illustration of formation of oil-contaminated black streak

2.2 微裂紋型黑條的成因

微裂紋型黑條一般均勻地分布于整個卷材表面，且黑條位置微裂紋深度較淺，說明該類黑條不是由于卷材表面受損而導(dǎo)致，而是與接觸卷材整個表面的軋輥、潤滑劑有關(guān)。在軋制過程中，如果工件處于邊界潤滑狀態(tài)，則容易使軋輥的表面形貌被復(fù)印到鋁材表面[14]。

以卷材的精軋過程為例，圖5為精軋軋輥表面及邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑條件下的精軋卷材表面形貌。其中精軋軋輥表面存在條紋狀形貌，這類條紋狀形貌是由于軋輥磨削過程中砂輪走刀所致。在邊界潤滑條件下(精軋過程中部分乳液噴嘴處于關(guān)閉狀態(tài)，潤滑不足)，只有乳液添加劑產(chǎn)生的邊界潤滑膜在鋁材與軋輥之間起分離作用，且油膜厚度較小，軋輥的表面形貌極易被復(fù)印到卷材上，因此卷材表面也存在條紋狀印跡。在混合潤滑條件下(介于邊界潤滑與流體潤滑狀態(tài)之間)卷材表面條紋狀印跡變淺。在流體潤滑條件下(精軋過程中所有噴嘴處于打開狀態(tài)，潤滑良好)，由于油膜厚度的增加，工件與軋輥表面被分離開，摩擦因數(shù)降低，此時軋輥表面形貌不會被復(fù)印到卷材表面。因此，當(dāng)潤滑嚴重不足時，軋輥復(fù)印到軋件表面的條紋狀會愈加明顯，軋件越薄，越易形成微裂紋。

圖5 精軋過程軋輥及卷材表面OM觀察形貌Fig.5 OM morphologies of the roll and coil surface in the finishing mill process

2.3 微動磨損型黑條的成因

微動磨損型黑條在OM下觀察是不平行于軋制紋路(圖3)，因此該類黑條應(yīng)是在非軋制工序即吊運、運輸過程中產(chǎn)生的。此外，黑條位置處的氧含量要遠高于正常位置的，且發(fā)生了一定深度的磨損，這與微動磨損的特征相吻合。微動磨損過程的如圖6所示[16]。其形成過程包括：在金屬接觸區(qū)之間積存有氧化磨屑；金屬接觸區(qū)因震動等原因發(fā)生磨損，形成小平臺；氧化磨屑因震動進入其他區(qū)域，震動導(dǎo)致微動磨損面積增大。

圖6 微動磨損形成的示意圖Fig.6 Schematic illustration of formation of fretting-wear

圖7為鋁合金卷材的冷卻與轉(zhuǎn)運過程示意圖。在卷材冷卻過程中，邊部首先冷卻發(fā)生收縮，而卷材中部仍然處于熱膨脹狀態(tài)，導(dǎo)致在卷材收縮與膨脹的交界位置，層與層之間的接觸緊密。而在卷材的吊運過程中，大多數(shù)廠家使用如圖7b所示的卷材吊具，導(dǎo)致卷材邊部受力集中，更易發(fā)生磨損。因此微動磨損型黑條一般分布于卷材邊部位置。

圖7 鋁卷的冷卻和吊運過程示意圖Fig.7 Schematic illustration of cooling and transit process of aluminum coil

3 消除黑條缺陷的措施

3.1 消除油污型黑條缺陷的措施

對于油污型黑條缺陷，應(yīng)盡量防止在軋制、卷曲過程中發(fā)生粘傷；保持乳液、潤滑油清潔，防止其中混入硬質(zhì)顆粒；軋制過程中保證刷輥正常工作，并在軋制一定數(shù)量卷材以后，對軋輥表面進行清理，防止軋輥表面粘鋁。具體措施：匹配上下工序卷曲張力，保證開卷張力小于卷曲張力；控制板形保證凸度、楔度良好，以防止粘傷的發(fā)生；加強乳液、潤滑油撇油或增加板式過濾器等裝置，保證乳液、潤滑油的清潔；調(diào)整好刷輥與工作輥之間的間隙，保證刷輥正常工作；確定合適的換輥周期。

3.2 消除微裂紋型黑條缺陷的措施

對于微裂紋型黑條缺陷，應(yīng)盡量避免在軋制過程中發(fā)生局部潤滑不足。具體措施：對軋機的乳液、潤滑油噴嘴進行定期維護，防止噴嘴發(fā)生不噴或常噴問題；調(diào)整乳液成分，通過提高基礎(chǔ)油含量、游離態(tài)脂肪酸(U.A)含量等方式來提高乳液的潤滑能力；由于微裂紋型黑條深度較淺，可以通過增加酸堿洗工序進行消除。

3.3 消除微動磨損型黑條缺陷的措施

對于微動磨損型黑條缺陷，應(yīng)盡量避免卷材層間發(fā)生錯動使氧化磨屑增多。具體措施：減少吊運、轉(zhuǎn)運過程，盡量在一個工廠內(nèi)完成對卷材的所有加工；吊運過程中在卷材芯軸位置安裝鋼套筒，防止吊具直接吊起卷材邊部，導(dǎo)致邊部受力集中；對卷材表面涂油，減少摩擦的發(fā)生，同時防止氧化；在卷材寬度余量充足的情況下，可以直接將邊部微動磨損型黑條缺陷切除。

4 結(jié) 論

1)通過分析鋁合金卷材實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生黑條缺陷的形貌、化學(xué)成分特征，將軋制、轉(zhuǎn)運過程中產(chǎn)生黑條細分為油污型、微裂紋型、微動磨損型三種。

2)油污型黑條缺陷的產(chǎn)生是由于在軋制、卷曲過程中，卷材的表面產(chǎn)生了條狀損傷性缺陷，并且有乳液、潤滑油殘留于損傷位置發(fā)生了燒結(jié)而發(fā)黑。在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)避免卷材表面產(chǎn)生粘傷；保持乳液清潔；防止軋輥粘鋁來減少此類黑條缺陷的產(chǎn)生。

3)微裂紋型黑條的產(chǎn)生是由于在軋制過程中潤滑不足，導(dǎo)致軋輥表面的條紋狀形貌被復(fù)印到卷材表面而產(chǎn)生；同時，隨著鋁卷基體粗糙度的降低，基體處光的反射愈發(fā)的強烈，而微裂紋黑條位置存在一定程度的氧化，導(dǎo)致其失去金屬光澤，從而在視覺上發(fā)黑。在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)避免潤滑劑噴嘴發(fā)生異常；調(diào)整乳液成分，提高軋制過程中的潤滑能力。

4)微動磨損型黑條缺陷的產(chǎn)生是由于卷材的層間存在氧化磨屑，導(dǎo)致在后續(xù)的吊運、運輸過程中發(fā)生微動磨損，生成大量的氧化物粉末，進而導(dǎo)致缺陷位置發(fā)黑。在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)避免過多地對卷材進行轉(zhuǎn)運，并對卷材增加鋼套筒、涂油等措施，以防止微動磨損的發(fā)生。