LED产品退火工艺优化

摘要:文章针对LED电子材料存在的质量,从生产实际出发,结合理论,提出了不断改进的退火工艺和平整工艺,解决了产品的质量问题,提高了产品合格率,产品的性能指标命中率也保持在95%以上,与欧盟指令2002/95以及后续修正指令的要求相符。

关键词:LED电子材料;退火工艺;热应力;带钢

中图分类号:TG156文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0008-02

LED产品批量生产之后,发现:平整开卷时粘结处发生撕裂变形、凸起,经平整后形成弯月状、马蹄状或弧形的凹印,导致产品的合格率相对较低。为此,公司从退火和平整的工序出发,着手解决存在的质量问题。

一、退火工艺优化分析

金莱带钢公司产品冷轧后不进行清洗脱脂处理,就直接在罩式炉中进行光亮退火。为保证退火后带钢具有洁净的表面和良好的质量,就对冷轧后带钢表面提出了更高的要求。

研究表面,钢板在退火过程中要完成铁素体再结晶,晶粒长大和发展再结晶织构。冷轧薄板再结晶退火是将塑性变形的金属加热到再结晶温度以上,Ac1以下,经罩式退火炉加热、保温、冷却,如图1所示。通过回复、再结晶和晶粒长大三个不同的过程,从而达到消除冷轧带在钢轧制过程中产生的加工硬化,弹性畸变和形变内应力,形成新的等轴晶或饼形再结晶晶粒,恢复钢带塑性变形能力的目的。

(一)热应力分析

冷轧带钢在罩式炉退火过程中,钢卷采用卧式纵向叠卷逐层堆放,并用对流盘隔开。当冷轧压下率增大时,晶粒与晶界被拉长,晶粒与晶粒之间彼此接触得很紧密,在退火温度和时间的共同作用下会融合在一起,变成少数大晶粒,那么在紧卷退火时,热应力的作用会导致层与层之间焊合形成粘结。下面就针对热应力进行分析。

罩式炉退火中,钢卷的相对位置是恒定的,所以径向应力r是造成粘结的直接原因,其值为:

r=n+t(1)

式中:n――热应力;t――弹性应力。

由于弹性应力t在退火前由其他相关因素如松卷张力等所决定,在退火时可当作一个恒量考虑,所以r只与n有关:

r=f(n)=F(T1,T2,T3,r1,r2,r3) (2)

式中:T1――钢卷内圈温度;T2――钢卷外圈温度;T3――钢卷冷点温度;r1――钢卷内半径;r2――钢卷外半径;r3――冷点半径。

按照相关装炉原则,其r1,r2,r3的尺寸相差不大,可以忽略不计,因此,影响n的主要因素是T1、T2、T3的大小与差值,因为炉台底座高速风机的作用,T1,T2相差不大,由此可知T2、T3的差值,即冷点与热点的温差越大,热应力则越大。

经验表明,在升温过程中,尤其是400℃以后,应以30～35℃/h的速度缓慢升温。

保温结束后,经验表明,随炉冷却工艺段为2小时较为合适。

根据相关理论表明,形核率越大、长大速率越小,则再结晶后晶粒越细小。根据正常晶粒长大的关系式显示,当时间越长,晶粒越大,但为了防止晶粒过分长大破坏钢带的综合性能,退火时间又不能过长,因此虽然降低了退火温度,但在原来退火时间的基础上我们适当增加了1～2小时(根据装炉量及钢卷外径计算)以保证晶粒有足够的时间进行长大。

(二)影响带钢粘结因素的分析

带钢粘结因素比较多,下面仅从主要的方面进行探讨。

1.带钢自身因素。经统计,大多数产生粘结的带钢有以下特点:带宽≤650mm,轧制厚度≤1.2mm,碳含量≤0.06%。以下逐一加以定性分析。

带宽:带卷重量一般在6～8t。带宽越大,带卷外径越小,径向温度梯度越小,粘结倾向越弱。

轧制厚度:根据扩散定律可知,单位时间内通过垂直于板厚方向单位面积的铁原子量与该方向上铁原子的浓度梯度成正比,故轧制厚度越小,铁原子的浓度梯度越大,铁原子的扩散流量越大,粘结倾向越严重。

碳含量:在铁素体中铁原子的自扩散主要通过空位机制实现。当碳含量增加时,碳原子占据更多空位,使用于铁原子扩散的空位浓度降低。扩散激活能增大,铁原子自扩散系数减小,故粘结倾向减弱。同时随碳含量增加,带钢的高温屈服极限增大,在冷却初始阶段带卷层间塑性变形减小,使粘结倾向减弱。

2.与轧钢相关的因素。板形:根据大量粘结统计结果,粘结产生的部位主要集中于中部或边部。因此,板形控制不良出现浪形或同板差过大是造成板面凸起、局部压应力过大的主要原因,使粘结倾向严重。轧制厚度亦与此相关。轧制厚度越小,板形越不易控制,越易产生粘结。

卷取张力:带钢在冷轧时因卷取张力过大或波动,使层间局部压应力过大,易产生粘结。

3.与热处理有关的因素。退火工艺:退火温度过高、时间过长,使再结晶后的晶粒粗大,导致带钢屈服极限降低,若低于局部压应力,则易产生粘结。

带钢表面清洁度:因带钢表面的乳化液膜或氧化膜能阻止铁原子的扩散,故表面洁净度越低,粘结倾向越弱。

(三)防止及消除粘结缺陷的技术措施

以下从轧制工艺、退火条件、平整生产依次探讨退火对粘结的控制。

1.轧制工艺。表面粗糙度控制:轧后带钢表面粗糙度的大小主要取决于主轧机末架工作辊原始粗糙度及换辊制度。实践表明:将轧辊Ra控制在0.5mm,一对辊生产5～8条片是比较理想的。张力控制:采用罩式炉退火的钢卷均采用紧卷退火,实际操作是:出口张力=出口厚度×宽度×0.06kN,一般控制在13kN以下;采用壁厚10mm、20g锅炉钢做套筒,然后再进行松卷。板形控制:主要从弯辊和道次考虑,确保轧制平稳进行。实际做法是:将工作辊的凸度从原来的0.04mm增加到0.08mm;减少道次压下率,由原来7道次改为8道次,并合理控制各道次轧制速度;后两道次采用小压下率轧制(分丝道次≤17%,成品道次≤7%),并采用降张轧制;在松卷时,当内卷径在620mm以内时,卷取张力为9～12kN,超过620mm卷径时,卷取张力≤5.5kN,保持稳定的松卷状态。

2.退火工艺。根据对粘结的分析,最终确定LED产品的退火工艺,具体见图1。

3.平整工艺。通过开卷角度和速度的控制,在平整生产时,减轻产品粘结的产生。平整开卷角度控制:平整开卷时,钢卷的受力情况如图2所示。粘结严重的钢卷,其层与层间存在较大的粘合力,当钢卷打开时,产生较大的法向应力造成带钢弯折,从而出现严重的粘结缺陷。为了尽量降低F1,应尽可能使带钢沿钢卷切向打开,即控制适当的开卷角度,使张应力中F2大些,从而减少粘结。

需要强调的是,在平整过程中应尽量保持带钢沿钢卷切向受力,而在实际生产时,开卷后钢卷直径不断减小,开卷力和开卷角度都应做一定的调整。

实际做法是:在平整机开卷机与入口S辊间加装一条导向辊,增大了钢带与入口S辊间的包角,使带钢尽可能沿钢卷切向打开,有利于钢带开卷张力的稳定,同时也增大带钢和下S辊的接触弧长,加大了带钢的拉伸张力,拉伸效果增强,减少局部应变的产生。

平整开卷速度控制:将开卷时的卷取速度提高至220～230米/分。

二、结语

1.通过以上的改进措施,根据统计,产品拉裂纹质量问题的比例由26%大幅度降低至5%,一次合格率由65%飙升到90%,产品的性能指标命中率也保持在95%以上,效果显著。

2.为了验证产品的环保问题,特委托第三方对产品进行检验。从检测的结果来看,与欧盟指令2002/95以及后续修正指令的要求相符。

参考文献

[1]Gupta I,Hot and Cold Rolled Sheet Steel,TMS-AIME,1998.

[2]刘文,王兴珍.轧钢生产基础知识问答[M].冶金工业出版社,1996.

[3]候增寿,卢光熙.金属学原理[M].上海科学技术出版社,1995.

[4]安运铮.热处理工艺学[M].机械工业出版社,1988.

[5]黄旭光.罩式炉退火工艺制度的优化[J].冶金丛刊,2003.

[6]王晓宇,耿勇.冷轧带钢退火粘结缺陷的研究[J].鞍钢技术,2001,(6).

[7]黄皆捷,吴彬.宝钢冷轧板粘结成因分析及消除对策探讨[J],轧钢,1999,16(3).

[8]朱庆明.平整机防粘结机构的探讨[J].冶金设备,2002,(6).

作者简介:王利平(1973-),男,湖北孝感人,广州金莱冷轧带钢有限公司工程师,硕士,研究方向:LED电子材料。