Supergravity purification and regeneration of waste Al-Cu alloy
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摘要:
基于Al-Cu合金中不同杂质相的熔点差异,借助超重力场可强化过滤分离的特点,以2011型号Al-Cu合金为原料,探究合金中杂质元素Fe、Pb和有益元素Al、Cu的分离规律。研究结果表明：原料经过高温重熔再结晶的过程后,杂质聚集到铝基体晶界间,在高温超重力场中,低熔点杂质可穿过晶界间的孔隙分离除去,当超重力分离时间≥1 min时,Fe、Pb含量不再随时间变化；提高超重力系数和温度均有利于Fe、Pb的去除,但Al、Cu回收率降低。综合考虑Fe、Pb含量和Al、Cu回收率,确定较好的超重力分离工艺参数：超重力系数为600、分离温度为610 ℃、分离时间为1 min,该工艺参数条件下,Fe、Pb含量分别净化至0.06%和0.08%,Al、Cu回收率分别为95.64%、67.90%,废旧Al-Cu合金中的Al和Cu总占比由97.91%提升至99.72%。
Abstract:In this paper, based on the difference in melting points of different impurity phases in 2011 Al-Cu alloy, the separation law of impurity elements Fe and Pb and beneficial elements Al and Cu in the alloy was investigated with the help of the feature of enhanced filtration and separation in the supergravity field. The results show that the impurities in raw materials after the high-temperature remelting and recrystallization processes gather between the grain boundaries of the aluminum matrix. In the high-temperature supergravity field, low-melting-point impurities could be separated and removed through the pores between the grain boundaries, and when the supergravity separation time is ≥ 1 min, the Fe and Pb content no longer changes with time. Increasing the supergravity coefficient and temperature are conducive to the removal of Fe and Pb, but the recovery of Al and Cu is reduced. Taking into account the content of Fe and Pb, as well as the recovery rates of Al and Cu, the optimal parameters for the supergravity separation process are determined as follows: a supergravity coefficient of 600, a separation temperature of 610°C, and a separation time of 1 min. Under these parameters, the Fe and Pb contents are purified to 0.06% and 0.08%, respectively. The recovery rates of Al and Cu recoveries are 95.64% and 67.90%, respectively, and the scrap Al -Cu alloy in the total percentage of Al and Cu from 97.91% to 99.72%.
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Keywords:
- waste Al-Cu alloy /
- supergravity /
- decontamination /
- solid-liquid separation /
- semi-solid
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质量轻且具有良好密封性的铝箔，广泛应用于电子、仪表、食品、包装、建筑等领域，成为工业生产和日常生活中不可缺少的材料，实际应用对铝箔的力学性能和表面等质量提出了更高的要求，希望性能更好、质量更高、成品率更高[1-4]。应用在电子、建筑等领域的铝箔，大多是99.0%~99.5%的工业纯铝；应用在铝电容器的铝箔，则是纯度超过99.9%的高纯铝，所以在市场上直接采购到的铝箔，无法直接应用于电容器中，需要采用合适的方法来制备高纯铝。目前尽管我国在全球铝电容器制造中占据重要地位，但是专用于电容器的铝箔材料质量却较为一般，无论是微观组织结构、力学性能，还是其表面质量，与国际先进生产制备技术仍有较大差距。在实际工业生产制备中，多是采用向纯铝中添加部分化学元素，通过改变合金成分，提高纯铝铝箔性能，从而提高纯铝铝箔生产质量。为进一步提升铝箔的质量特别是综合力学性能，多通过增加合金元素例如Cu来提升铝箔坯料性能[5-10]。为进一步明确Cu对电容器用铝箔坯料的影响，推动我国铝箔生产质量的提高，将Cu熔入纯铝中，重点探讨不同的添加量对铝箔坯料组织影响，并分析对力学性能影响，最终总结经验指导生产和研究。
1 试验材料与试验方法
试验所用的原始材料为1A99工业纯铝，对应美国标准（AA）牌号为1 199 Aluminum[11]，具体的化学成分如表 1所列。
表 1 1A99工业纯铝的化学成分Table 1. Chemical compositions of 1A99 commercially pure aluminium
因为少量元素与微量元素总体占比较低，并不会对试验结果产生明显影响，可以正常试验。
将试验材料通过感应加热机，加热到720 ℃高温使其充分熔化，保温30 min处理后，分别向熔化金属中加入Al总用量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（质量分数）的纯Cu，充分搅拌后，维持在720 ℃温度保温10 min，精炼处理后，将析出熔渣去除，将熔化合金注入磨具内。静置一段时间，使金属冷却到室温，每组分浇注5份样品，并以机械将其轧制成厚度为6 mm的铝箔坯料，然后轧制成2.5 mm厚的铝箔坯料，接着轧制成1.25 mm，最后将铝箔（坯料）轧制成0.6 mm厚度。分别将制成的铝箔坯料放置于370 ℃环境中，保温6 h后，随炉冷却，退火操作后获得最终产物，为了探究退火温度对其组织性能的影响，增加一组加热温度325 ℃，保温6 h，随炉冷却的样。
为充分检测在纯铝中加入Cu元素制成的铝箔组织变化与力学性能，采用由日立集团提供TM4000PlusII台式显微镜，对铝箔坯料观察其退火前后显微组织。力学性能则是由苏州检卓仪器提供的SHK-A101材料试验机，针对铝箔坯料在退火处理前后变化完成性能测试。
其操作流程为：先通过铝箔剪切器对铝箔进行剪切，保证切口光滑，以长170 mm、宽15 mm的试样为准，将材料试验机对铝箔样品进行夹紧，以1 mm/min的速度进行匀速拉伸，在位移时记录样品的载荷变化，在样品被彻底拉断后停止记录。同时，应用CHANNEL 5.0，对本试验测得信息进行数据分析，提升数据研究质量。因为本试验仅是添加微量的Cu，所以没有特殊情况，仅以“添加”与“未添加”进行描述。
2 试验结果分析
2.1 纯铝铝箔坯料组织观察
通过光学显微镜对退火处理后未添加与添加不同Cu含量的铝箔坯料显微组织进行观察，并进行对比，研究具体组织变化。图 1是未添加Cu的铝箔坯料显微组织照片，对于未加入Cu元素的工业纯铝，退火后，工业纯铝组织中晶粒比较粗大，平均晶粒大小在50 μm以上，同时晶粒大小分布不均匀。
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图 1 未添加Cu的铝箔坯料370 ℃×6 h退火后显微组织照片Figure 1. Microtissue photo after annealing of 370 ℃× 6 h of aluminum foil billet without added Cu图 2所示为不同Cu添加量铝箔坯料显微组织照片。从图 2（a）到图 2（e），随着铜添加量增加，轧制铝箔坯料组织中晶粒有变小和均匀化趋势，且观察到第二相粒子均匀分布于晶界及其附近区域[12-15]，将纯铜添加至工业纯铝内，在高温作用下，Cu会与α-Al固溶体充分结合，产生铜铝合金。而剩余Cu则会在高温下，与Al进一步反应，产生第二相化合物CuAl2从Al基体中析出。观察已加入Cu元素的铝箔坯料组织，强化相晶粒规格较小，并以等轴方式均匀，使纯铝铝箔坯料具有均匀的组织，稳定提升纯铝显微组织综合性能。
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图 2 不同Cu添加量的铝箔坯料370 ℃×6 h退火后显微组织Figure 2. Microtissue photo after annealing of 370 ℃×6 h with different Cu additions对比图 2（e）与图 2（f），添加0.5%和0.6%纯Cu的铝箔坯料组织中平均晶粒大小都约为10 μm，添加的纯Cu增加0.1%，但铝箔坯料组织中晶粒细化不明显，晶粒的均匀性也没有明显均匀化趋势，所以，轧制纯铝铝箔坯料中选择添加0.5%的纯Cu获得更理想的显微组织。
2.2 Cu对再结晶晶粒影响
对于0.6 mm厚度的铝箔坯料，在退火处理时，除原本的370 ℃外，增设1组325 ℃作为对照组，如图 3所示，未添加Cu的纯铝冷轧板，其晶粒并没有过于明显的边界波动特征，但是添加Cu的纯铝冷轧板，其晶粒则可以观察到明显的波动特征，尤其是边部周围，波动特征会更为明显。这可能由于在温度的影响下，纯铝冷轧板会获得更高的变形率，添加Cu后，会使加工硬化率得到进一步提升。在325 ℃条件下，进行6 h退火处理，未添加Cu的纯铝冷轧板并没有完全完成再结晶过程，应用显微镜仍可以观察到部分区域存在纤维组织, 而其表面位置则具有最多的纤维组织。
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图 3 0.6 mm铝箔坯料325 ℃×6 h退火后显微组织Figure 3. Microscopic strueture of 0.6 mm aluminum foil billet 325 ℃×6 h但是，在相同的条件下，添加Cu的纯铝冷轧板则完成了再结晶化，形成细小的等轴状晶粒, 晶粒中可以明显看到第二相的细小弥散。在结束370 ℃×6 h退火处理后，未添加Cu的纯铝冷轧板，应用显微镜可以观察到，其平均晶粒规格约在51.2 μm, 而且晶粒也不是完全转化成等轴晶，长轴与短轴之比约为1.87，晶粒规格并不均匀，其数量保持正态分布，即晶粒规格在40~50 μm数量最多，其他规格的晶粒数量相对较少。添加Cu的纯铝冷轧板的平均晶粒规格约为30.4 μm，而且晶粒基本为等轴晶，长轴与短轴之比约为1.33，晶粒规格同样保持正态分布，但是不同规格的晶粒数量分布相对集中，规格在20~30 μm的数量最多。在退火之后，再次结晶化的晶粒规格明显下降，有可能是添加Cu的纯铝冷轧板的冷轧晶粒规格偏小，存在一定的晶界波动，这导致原本较小的晶界面积获得显著提升，使晶界周边存在较多的位错塞积，造成晶格畸变概率明显提升，形核区域也有所增加，在这种条件下，形核率得到有效提升，再结晶速度加快，晶粒规格也随之降低。
2.3 Cu对纯铝铝箔晶粒与组织影响分析
通过光学显微镜对退火处理前后的铝箔显微组织以0.8 μm进行细致观察，并将两者进行对比，研究具体晶粒与组织影响。对于未加入Cu元素的工业纯铝，在退火操作处理后，具有较大规格的晶粒，其数量较多，平均晶粒规格在3.07 m左右，同时晶粒大小并不均匀，这种材料应用于铝电容器的阳极铝箔的制备环节，难以保证拥有良好成品质量，所以需要对其展开进一步的研究[5-6]。将Al总用量的0.5%纯铜添加至工业纯铝内，在700 ℃的高温作用下，Cu会和固溶体充分结合，产生铜铝合金，使纯铝的性能得到稳定提升；而剩余Cu则在高温影响下，与Al进一步发生反应，产生第二相化合物，从Al基体中析出，保证Al的纯度不受影响。观察已加入Cu元素的工业纯铝，强化相晶粒规格明显下降，大多数的晶粒规格较小，其平均晶粒规格在2.65 m左右，并以等轴方式均匀分布，这种变化使纯铝拥有均匀的组织结构, 稳定提升纯铝显微组织的多方面能力，从而提高纯铝的综合性能。而且，向纯铝加入Cu，强化相生成速度加快，在相同处理条件下，添加Cu的纯铝比未添加Cu的纯铝拥有更多强化相。大量强化相有效提高材料应用强度，提高纯铝铝箔实用性。从Al基体中获得的，其拥有可溶性，可以溶在合金中，让纯铝拥有一定量的合金，从而达到强化性能的效果，可以稳定提升合金抗拉性能，提高材料应用质量。所以，将Al总用量的0.5%纯铜作为添加物，加入工业纯铝中，可以使纯铝内部拥有较多、较大规格的晶粒数量有效缩减，以较小规格的晶粒维持纯铝组织结构稳定性，并有效提高组织均匀性，更符合工业生产需求，这也是我国在工业制备纯铝的主要研究方向。
2.4 Cu对纯铝铝箔力学性能影响
2.4.1 退火前抗拉强度与伸长率分析
图 4所示为不同Cu添加量的铝箔坯料抗拉强度曲线图，本试验将6.0 mm厚度铝箔坯料轧制成0.6 mm厚度铝箔，经过4道次轧制工序，组织内部晶粒在轧制力影响下充分破碎，大尺寸晶粒变为小晶粒，一定程度上提升了铝箔抗拉性能。对铝箔坯料展开力学性能方面测试，将数据收集并整理后，分析得出，铝箔在没有添加纯铜且未进行退火处理前，其抗拉强度为145.7 MPa，伸长率为4.3%；在纯铝中加入纯铜制成合金后，产生强化相，稳定提升铝箔力学性能，随着纯铜添加量的增加，铝箔坯料的抗拉强度增加，纯铜添加量为0.5%时，抗拉强度提升到219.3 MPa，上升幅度为50.5%，Cu元素会使Al晶粒组织细化，并保持良好均匀性，稳定提高铝箔抗拉性能。与此同时，随着含Cu添加量的增加，铝箔坯料的塑性却明显下降，纯铜添加量为0.5%的铝箔坯料伸长率缩减至1.8%，下降了54.3%。
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图 4 Cu元素含量与抗拉强度的关系曲线Figure 4. Relationship curve between Cu element content and tensile strength2.4.2 退火后抗拉强度与伸长率分析
退火前，铝箔坯料经过了多道工序反复处理，铝箔坯料组织晶粒充分破碎，从而使晶粒进一步缩小，晶粒均匀性增加；退火处理后，晶粒均匀性进一步改善。与此同时，铝箔坯料的内应力增加、塑性降低，如图 5所示，塑性降低会影响铝箔后续轧制的进行。为使后续轧制道次顺利进行，提高铝箔的成品率和质量，需要对铝箔进行退火处理，使铝箔内部晶粒实现再结晶，消除加工硬化，降低内应力，恢复铝箔的塑性。作为处理代价，此时会使铝箔的抗拉性能降低。退火处理后，铝箔坯料抗拉性能大幅度降低，含Cu量0.5%的铝箔坯料的抗拉强度为100.2 MPa，比退火前下降54.3%；伸长率大幅度提升至17.4%，比退火前上升667%。
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图 5 Cu元素含量与伸长率的关系曲线Figure 5. Relationship curve of the Cu element content and the elongation rate向纯铝中加入纯铜，Cu元素会于位错周边大量聚集，使位错产生钉扎效应，让原本活跃的晶界迁移行为产生阻滞反应，并有效阻碍晶粒再结晶，限制其进一步长大。Cu在高温作用下，会与Al产生CuAl2合金相，有序分散至合金组织内[16-20]。弥散对于合金有强化作用，从而提高铝箔的抗拉性能，Cu添加量为0.5%的铝箔坯料退火后的抗拉强度为100.2 MPa，未加入Cu的铝箔坯料退火后的抗拉强度为53.1 MPa，上升幅度为88.8%。Cu添加量0.5%的铝箔坯料的伸长率为17.4%，未加Cu的铝箔坯料退火后的伸长率为28.4%，下降幅度降为38.7%。
3 结论
1）在纯铝中加入Cu，可以使组织细化，缩减晶粒规格，有效提升组织均匀性。
2）向纯铝加入Cu，使强化相生成速度加快，大量强化相可有效提高材料应用强度，提高纯铝铝箔实用性。从Al基体中获得CuAl2，其拥有可溶性，在合金中拥有强化效果，可以稳定提升合金抗拉性能。
3）经过退火处理，CuAl2依然起到加强弥散强化效果，可以大幅度提升铝箔抗拉性能，同时获得良好的塑性。
4）将0.5%纯铜作为添加物，加入工业纯铝中，可以使纯铝内部较大规格的晶粒有效缩减，并有效提高组织均匀性，更符合工业生产需求。
在实际纯铝铝箔生产中，可以适当添加Cu，用于提升铝箔组织均匀度与抗拉性能。
王庆龙 -
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图 1 原料中各物相分布SEM图：（a）原始材料物相分布SEM像；（b）重熔后物相分布SEM像；（c）为（b）红圈内部物相
Fig 1. SEM images of each phase in raw material： （a） SEM image of physical phase distribution of original material； （b） SEM image of physical phase distribution after remelting； （c） phase inside red circle in Fig. （b）
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图 2 原料中主要物相的二次电子像（a）及其主要元素背散射电子像
Fig 2. Secondary electron images of main phases infeedstock （a） and backscattered electron images of their main elements
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图 3 实验装置及固液分离过程示意图；（a） 实验装置示意；（b） 固液分离示意
（a） experimental setup； （b） solid-liquid separation
Fig 3. Schematic diagram of experimental device and solid-liquid separation process：
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图 4 Thermo-Calc软件Scheil-Gulliver 模块模拟的原料凝固示意
Fig 4. Solidification image of alloy simulated by Scheil-Gulliver module of Thermo-Calc software
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图 5 温度对净化效果的影响：（a）温度对有害元素Fe、Pb含量的影响；（b）温度对有益元素Al、Cu含量的影响
Fig 5. Influence of temperature on purification effect： （a） effect of temperature on content of harmful elements Fe and Pb； （b） effect of temperature on content of beneficial elements Al and Cu
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图 6 不同分离温度的试验剖面图：（a）、（b）、（c）、（d）分别是600、610、620、630 ℃实验条件下沿超重力方向的截面宏观图示
Fig 6. Macroscopic images of separation experiment at different temperatures： （a）, （b）, （c） and （d） macroscopic views of cross sections along supergravity direction under experimental conditions of 600, 610, 620 ℃ and 630 ℃, respectively
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图 7 不同分离温度条件下的净化铝SEM像： （a）、（b）、（c）、（d）分别是600、610、620、630 ℃时净化铝的SEM像
Fig 7. SEM images of purified aluminum under different separation temperature conditions： （a）, （b）, （c） and （d） SEM images of purified aluminum at 600, 610, 620 ℃ and 630 ℃, respectively
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图 8 610 ℃时,净化铝和滤液中主要物相的二次电子像及主要元素的背散射电子像,（a）、（b）分别是净化铝、滤液的二次电子像
Fig 8. Secondary electron images of main phases in purified aluminum （a） and filtrate （b） and their backscattered electron images of main elements at 610°C
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图 9 超重力系数对净化效果的影响：（a）超重力系数对有害元素Fe、Pb含量的影响；（b）超重力系数对有益元素Al、Cu含量的影响
Fig 9. Influence of supergravity coefficient on purification effect： （a） effect of supergravity coefficient on content of harmful elements Fe and Pb； （b） effect of supergravity coefficient on content of beneficial elements Al and Cu
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图 10 不同超重力系数条件下净化铝SEM像：（a）、（b）分别为G=400、G=600时净化铝的SEM像；（c）、（d）为净化铝上部多孔区域、底部实心区域的SEM像
Fig 10. SEM image of purified aluminum under different supergravity coefficients： （a） and （b） are SEM images of purified aluminum at G=400 and G=600, respectively； （c） and （d） are SEM images of porous region at top and solid region at bottom of purified aluminum, respectively
表 1 2011铝合金各元素含量
Table 1 Content of each element in 2011 aluminum alloy
元素 Cu Fe Zn Al Pb Bi Si 含量 5.730 0.182 0.002 92.186 0.518 0.492 0.052 
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表 2 图1（c）和图2（a）中标记点的元素组成
Table 2 Elemental composition of marked points in Fig.1（c） and Fig.2（a）
标记点位 Cu Fe Al Pb Bi 点1 46.08 9.68 43.08 — — 点2 46.58 — 53.42 — — 点3 — — — 62.78 37.02 点4 58.30 — 41.70 — — 点5 3.23 — 96.51 — — 注： “—”表示对应元素含量为0。
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