太陽能鋁型材表面處理的主要問題及解決辦法

　　為了滿足不斷增長的能源需求，太陽能正迅速崛起為目前可利用的能源中最可行的選擇之一。歐洲目前是全球最大的光伏發(fā)電市場，預(yù)計(jì)到2020年，太陽能電力將滿足歐洲15%的電力需求。太陽能具有可再生和環(huán)保等方面的特點(diǎn)，這種優(yōu)勢讓包括中國在內(nèi)的許多國家將太陽能作為重點(diǎn)發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)。中國大陸光伏產(chǎn)品主要供應(yīng)給歐美市場，國內(nèi)市場份額很小。近年來，由于歐美各國市場需求的增大，我國光伏產(chǎn)業(yè)取得了快速的發(fā)展，最近5年的年均增長速度達(dá)到40%以上。在政策進(jìn)一步加大扶持力度的背景下，未來光伏產(chǎn)業(yè)的增長前景將更為廣闊。

　　預(yù)計(jì)2010年我國生產(chǎn)的太陽能鋁型材總產(chǎn)量高達(dá)近50萬噸。太陽能鋁型材(通常為6063鋁合金)不同于普通的建筑鋁型材，無論是內(nèi)在質(zhì)量，還是表面質(zhì)量，一般都要求更高，特別是額外有貼復(fù)合膜要求，生產(chǎn)廠家往往因成品率不高，或時(shí)有出現(xiàn)煺貨現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)成本難以降低。本文針對(duì)高品質(zhì)太陽能鋁型材在陽極氧化表面處理過程中所遇到的幾個(gè)主要問題，提出相應(yīng)的一些實(shí)用解決辦法，供同行們參考。

　　1. 存在組織條紋

　　我們看到的擠壓坯料表面條紋一般有二種，一種是由擠壓模具定徑帶表面粗糙或粘粒所引起的擠壓痕，這種缺陷常常在擠壓坯料階段就可見，缺陷嚴(yán)重時(shí)也有手感，其實(shí)很輕微的擠壓痕不影響美觀，經(jīng)噴砂處理或適當(dāng)延長堿洗時(shí)間后也容易消除;另一種是內(nèi)在組織條紋，在擠壓坯料階段大都不能發(fā)現(xiàn)，但只要經(jīng)短暫堿洗后就顯露，組織條紋通常貫串于工件的整個(gè)壁厚，因此，隨堿洗時(shí)間越長，往往表面條紋越明顯。

　　組織條紋一般由焊合不良、金屬流動(dòng)不均勻和鑄棒表皮物叁種塬因引起。對(duì)太陽能鋁型材在模具設(shè)計(jì)時(shí)，大都將焊合線移至非裝飾面或角上，因此，太陽能鋁型材的組織條紋缺陷可認(rèn)為主要有金屬流動(dòng)不均勻和鑄棒表皮物二種塬因引起。

　　1)金屬流動(dòng)不均勻

　　當(dāng)一個(gè)工件表面的對(duì)應(yīng)另一面存在厚度變化時(shí)(見圖1)，在工件的擠壓過程中就容易產(chǎn)生金屬流動(dòng)不均勻現(xiàn)象，即a區(qū)的流出速度與b區(qū)存在一定差異，或受到附加拉應(yīng)力作用，或受到附加壓應(yīng)力作用。由于附加

　　應(yīng)力的存在，使兩區(qū)對(duì)塬始晶粒的破碎情況與隨后的再結(jié)晶修復(fù)過程有所不同，繼而導(dǎo)致工件表面存在顯眼的外觀差異，即出現(xiàn)組織條紋，消除這種組織條紋主要從改進(jìn)模具設(shè)計(jì)、模具加工和模具保養(yǎng)著手。但單就擠壓坯料而言，即使是經(jīng)過時(shí)效熱處理后，也往往很難判斷該擠壓材是否存在由于金屬流動(dòng)不均勻所引起的組織條紋。如在擠壓時(shí)不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，待大量擠壓坯料進(jìn)入陽極氧化車間才發(fā)現(xiàn)，那為時(shí)已晚，就會(huì)造成不可彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)損失。生產(chǎn)廠家比較行之有效的一種簡單方法：將試模基本合格的擠壓坯料及時(shí)送往陽極氧化車間用堿洗法顯現(xiàn)試驗(yàn)，當(dāng)確定無組織條紋后方進(jìn)行批量生產(chǎn)為妥。

　　b)鑄棒表面油污太多 鑄棒表面存在油污的多與少，一定程度會(huì)影響鑄棒表皮物的擠壓流型。油污多會(huì)使鑄棒表皮與擠壓筒內(nèi)壁摩擦力下降，在擠壓過程中表皮物的流動(dòng)趨于加快，因而容易流入工件，形成外觀組織條紋。生產(chǎn)廠家需保持鑄棒表面清潔，對(duì)表面存在較多油污的鑄棒可用一般洗潔精溶液清洗干凈。

　　c)擠壓筒內(nèi)壁殘留物較多 當(dāng)擠壓筒與擠壓墊間隙過大，特別是當(dāng)擠壓筒出現(xiàn)不正常鼓形現(xiàn)象時(shí)，擠壓筒內(nèi)壁會(huì)余積較多鑄棒表皮物，在這種情況下擠壓工件上難免出現(xiàn)組織條紋。對(duì)應(yīng)措施：檢查擠壓筒與擠壓墊的配合尺寸是否合理;每班1～2次用清理墊處理擠壓筒內(nèi)壁殘留物;一旦發(fā)現(xiàn)擠壓筒出現(xiàn)鼓形，及時(shí)更換擠壓筒;定期對(duì)擠壓軸與擠壓筒進(jìn)行對(duì)中調(diào)整。

　　2. 外觀不一致

　　外觀的一致性主要涉及顏色、細(xì)膩度與光澤度叁個(gè)問題。目前我國太陽能鋁型材表面處理工藝名目繁多，一般來說隨表面處理工藝不同，不同程度上都會(huì)對(duì)顏色、細(xì)膩度與光澤度產(chǎn)生影響。

　　目前國內(nèi)太陽能鋁型材的砂面處理都采用機(jī)械噴砂，當(dāng)然砂粒大小會(huì)直接影響產(chǎn)品外觀的細(xì)膩度。國內(nèi)的機(jī)械噴砂機(jī)現(xiàn)有噴鋼砂與玻璃砂兩種，兩者就光澤度而言，用玻璃砂得到的砂面比鋼砂光澤度要好，外觀顏色趨白，而鋼砂處理表面相對(duì)趨灰一點(diǎn)，因而在陽極氧化堿洗時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長時(shí)間。一般對(duì)用玻璃砂處理的鋁型材后道堿洗時(shí)間為2～4min，對(duì)用鋼砂處理的鋁型材堿洗時(shí)間為5～8min。鋼砂處理的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是容易消除輕微的擠壓痕，對(duì)擠壓坯料表面質(zhì)量要求相對(duì)較低。

　　大多數(shù)太陽能鋁型材要求≥15?m陽極氧化膜，如在陽極氧化過程中采用普通的冷封閉處理，即使在冷封閉槽液中加入一定量的乙酸鈷進(jìn)行顏色彌補(bǔ)，也難免解決封閉后顏色發(fā)綠問題，歐美國家習(xí)慣視鋁型材封閉發(fā)綠為一種產(chǎn)品缺陷，因此，國內(nèi)生產(chǎn)太陽能鋁型材廠家紛紛改用封閉發(fā)綠現(xiàn)象相對(duì)較輕的中溫封閉工藝。在抗熱裂性方面，中溫封閉工藝也好于普通的冷封閉。

　　即使是采用同樣的生產(chǎn)工藝，同一廠家生產(chǎn)出的不同批次太陽能鋁型材，也時(shí)常出現(xiàn)外觀細(xì)膩度與光澤度不一致的問題。有關(guān)這兩個(gè)問題產(chǎn)生的一些塬因及解決辦法歸納如下：

　　1)細(xì)膩度不一致

　　在微觀上，鋁合金表面都是由晶粒和晶界所組成[2]，晶粒大小和晶界粗細(xì)的改變即引起外觀細(xì)膩度的改變，因此，表面細(xì)膩度不一致本質(zhì)上就是表面的晶粒大小或晶界粗細(xì)不一致。人們往往青睞那些柔和、細(xì)膩的外觀，這就需要相對(duì)晶粒小、晶界細(xì)的組織結(jié)構(gòu)。為得到穩(wěn)定的晶粒小、晶界細(xì)的組織結(jié)構(gòu)，主要注意下列兩點(diǎn)：

　　a)穩(wěn)定擠壓用鑄棒的質(zhì)量 國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)擠壓用鑄棒晶粒度要求≤2級(jí)，鑄棒的晶粒度大小無疑對(duì)擠壓工件的晶粒大小有一定的遺傳性。對(duì)質(zhì)量要求高的廠家，擠壓生產(chǎn)應(yīng)選用均質(zhì)鑄棒，鑄棒經(jīng)過均勻化煺火處理可消除鑄棒內(nèi)部組織偏析和鑄造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善鑄棒下一步壓力加工狀態(tài)和最終產(chǎn)品的性能[3]。

　　但不要時(shí)而用均質(zhì)鑄棒，時(shí)而又用普通鑄棒，最好也不要采用多家生產(chǎn)的鑄棒，這樣因擠壓鑄棒多樣化，會(huì)導(dǎo)致擠壓坯料組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

　　b)穩(wěn)定工件的擠壓出口溫度 擠壓出口溫度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，對(duì)鑄棒加熱溫度控制和對(duì)擠壓速度控制，其實(shí)，歸根結(jié)底是對(duì)擠壓出口溫度控制。擠壓出口溫度不但影響工件的機(jī)械性能，也影響著工件隨后表面處理的外觀，當(dāng)擠壓出口溫度太高時(shí)，工件的粗晶現(xiàn)象就不可避免。單就擠壓坯料而言，也難判斷工件是否存在粗晶現(xiàn)象，生產(chǎn)廠家可用表面熱電偶溫度計(jì)對(duì)擠壓出口溫度進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場控制。

　　2)光澤度不一致

　　光澤度不一致涉及的可能塬因很多，基材成分有較大差異無疑會(huì)導(dǎo)致工件光澤度不一致，一般基材的雜質(zhì)含量越高，工件的光澤度也就越低。對(duì)擠壓而言，在控制擠壓出口溫度的情況下，一般擠壓速度越快，則工件表面越光亮;擠壓后的風(fēng)冷淬火如不足，在引起再結(jié)晶晶粒粗大、強(qiáng)化相Mg2Si富集的同時(shí)，也使工件表面的亮度下降。對(duì)陽極氧化而言，堿洗工藝條件對(duì)光澤度影響最大，一般堿洗速度越快，工件的光澤度越高。因此，要保持工件表面的光澤度一致，主要需要穩(wěn)定擠壓鑄棒的合金成分，穩(wěn)定擠壓速度、風(fēng)冷淬火條件，穩(wěn)定陽極氧化的堿洗速度。

　　3. 貼復(fù)合膜粘膠

　　太陽能鋁型材不同于普通的建筑鋁型材，一個(gè)附加的產(chǎn)品要求是每根產(chǎn)品需要貼復(fù)合膜保護(hù)，并且要求所貼復(fù)合膜既粘合牢固，又要求待復(fù)合膜撕開后太陽能鋁型材表面不存在粘膠現(xiàn)象。這種要求對(duì)采用冷封閉工藝的廠家常常不是問題，與普通建筑鋁型材相比冷封閉工藝條件似乎不要作什幺變化，但對(duì)采用中溫封閉工藝的廠家時(shí)常是一個(gè)頭痛的問題。這主要是冷封閉與中溫封閉兩者工藝的封閉機(jī)理不同，兩者需要“陳化”的時(shí)間不同。很多中溫封閉工藝使用廠家采取延長貼膜前的停放時(shí)間來緩解粘膠問題，這需要車間有足夠空間與周轉(zhuǎn)車輛。江蘇江陰東華鋁材科技材料有限公司無論是按品質(zhì)，還是按產(chǎn)量，是國內(nèi)公認(rèn)的生產(chǎn)太陽能鋁型材龍頭企業(yè)，目前太陽能鋁型材月產(chǎn)量高達(dá)6000余噸，陽極氧化電泳材約占30%，陽極氧化封閉材約占70%(其中中溫封閉材約80%)，在僅有的生產(chǎn)空間內(nèi)完成如此寵大的產(chǎn)量，往往不允許稍長的停放時(shí)間，該公司靠強(qiáng)化生產(chǎn)工藝的管理，靠選用優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)塬輔材料，較好地解決了貼復(fù)合膜粘膠問題。國內(nèi)典型的中溫封閉工藝條件見表1。

　　表1 國內(nèi)典型的中溫封閉工藝條件

　　2)鑄棒表皮物

　　擠壓鑄棒的表皮一般存在較多的氧化物，Mg2Si和AIFeSi金屬間化合物也往往偏高[1]，在正常的擠壓過程中，鑄棒表皮物基本上都留在擠壓壓余內(nèi)，但在下列幾種情況下會(huì)隨擠壓流入工件內(nèi)：

　　a)鑄棒溫度低于擠壓筒溫度 相對(duì)擠壓筒溫度，如果鑄棒溫度太低，由于產(chǎn)生的摩擦力太大，會(huì)改變鑄棒表皮物的擠壓流型，導(dǎo)致表皮物通過模子后流入擠壓工件內(nèi)。表皮物常以線狀流入工件，在陽極氧化堿洗過程中，因表皮物與基體金屬存在腐蝕差異而出現(xiàn)外觀條紋。通常擠壓筒溫度取390～420℃，鑄棒加熱溫度取460～500℃。

　　為防止貼復(fù)合膜粘膠，主要應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

　　1)擠壓坯料不能出現(xiàn)粗晶或粗晶帶組織

　　粗晶組織主要是由擠壓工件的出口溫度過高和風(fēng)冷淬火能力不夠所引起，粗晶表面往往比細(xì)膩表面更容易發(fā)生復(fù)合膜粘膠現(xiàn)象。

　　2)堿洗時(shí)防止出現(xiàn)表面干貼現(xiàn)象

　　當(dāng)堿洗槽液與處理鋁材之間的反應(yīng)速度過快(由高濃度或高溫引起)，或鋁材堿洗后吊起至水洗轉(zhuǎn)移速度太慢，或堿洗槽的槽端吹風(fēng)機(jī)風(fēng)力過大時(shí)，就容易出現(xiàn)處理鋁材表面干貼現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，即使延長后道的中和處理時(shí)間，也無法洗凈處理鋁材的表面，由此，會(huì)出現(xiàn)貼復(fù)合膜粘膠現(xiàn)象。

　　3)選用合適的中溫封閉劑

　　目前國內(nèi)的中溫封閉劑主要組分大致有二類：一類是乙酸鎳、乙酸鈉與硼酸組分;另一類是乙酸鎳、有機(jī)胺與有機(jī)溶劑組分。用于太陽能鋁型材的中溫封閉劑，不宜工藝范圍過小、封閉速度過快，不然實(shí)際生產(chǎn)操作難以控制。因?yàn)槿绻�是封閉質(zhì)量不好，當(dāng)然會(huì)貼復(fù)合膜粘膠，但當(dāng)過封閉，尤其是出現(xiàn)表面起灰時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)貼復(fù)合膜粘膠現(xiàn)象。

　　4)選用粘度合適的復(fù)合膜

　　貼復(fù)合膜粘膠問題無疑也與復(fù)合膜本身有關(guān)，復(fù)合膜生產(chǎn)廠家要與太陽能鋁型材廠家協(xié)調(diào)，以確定最合適的復(fù)合膜粘度。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Tom Hauge.Dr Kai F Karhausen.AIuminium Extrusion，1998，(1)：35.

　　[2]朱祖芳主編.鋁合金陽極氧化與表面處理技術(shù) 第二版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：39

　　[3]肖亞慶 謝水生等人.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：318【完】