2022/10/22 下午2:08 电解铜箔用阴极辊在线研磨常见技术问题与解决方案
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电解铜箔用阴极辊在线研磨常见技术问题与解决方案
Common technical problems of grinding cathode
rollers on production line for electrolytic copper foil
manufacturing and solutions
吴佩知
广东英达实业有限公司
摘要:介绍了电解铜箔生产过程中阴极辊在线研磨的工艺流程。讨论了磨刷的结构，磨
料的材质和粒度，研磨力的影响因素，以及表面粗糙度的评价指标。从研磨原理出发，
分析了阴极辊研磨过程中常见的问题，如出现亮线或深划痕，粗糙度不达标，氧化期过
短或不稳定，有明暗带等，提出了相应的解决方案。
关键词: 铜箔生产 钛辊 研磨 清洁 粗糙度 故障处理
作者简介:吴佩知（1979–），男，博士，研究方向为工业精密抛光和表面处理。
收稿日期:2021-11-15
WU Peizhi
Guangdong Yingda Industrial Co., Ltd.
Abstract:The process flow for grinding the cathode rollers on a production line for
electrolytic copper foil manufacturing was introduced. The structure of grinding brush,
the material and particle size of abrasive, the factors affecting the grinding efficiency,
（期刊）
电镀与涂饰2
022(15)
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1 阴极辊在线研磨工艺流程
and the evaluation of surface roughness were discussed. Some problems often
occurring during the grinding of cathode rollers such as the formation of bright line or
deep scratch, substandard roughness, too short or irregular oxidation period, and
nonuniform gloss were analyzed based on the principle of grinding. The
countermeasures were presented.
Keyword: copper foil manufacturing titanium roller grinding cleaning
roughness troubleshooting
Received:2021-11-15
阴极辊是生箔机的关键部件。硫酸铜电解液中的铜离子在电场的作用下电沉积到阴极辊表面，
同时阴极辊做匀速旋转，铜离子连续电沉积到阴极辊表面而形成铜箔，铜箔经过剥离并收集成卷，
从而实现电解铜箔的连续生产[1]。
由于电解铜箔是在阴极辊表面沉积而成的，是阴极辊表面结构的映射，因此阴极辊的表面状态
就直接决定了铜箔的表面状态。阴极辊表面越均匀，越细腻，则生产出的铜箔表面越均匀；反之，
阴极辊表面越粗糙，铜箔表面色泽越不均匀，会有雪花斑，严重时甚至出现亮面铜粉、乌化等现象
[2]。
阴极辊的表面状态不但直接影响铜箔的表面品质，更对铜箔的晶粒结构产生作用。铜离子在沉
积到阴极辊的过程中，阴极辊表面不同的粗糙度首先会影响阴极表面积的大小，进而影响电解过程
的电流密度，最终影响到铜箔晶粒的大小、形状和分布，严重时甚至导致渗透孔的出现。而这些都
与阴极辊表面状态息息相关。
综上所述，要生产出高品质的电解铜箔，对阴极辊的表面提出以下要求：阴极辊晶粒细小，表
面色泽均一，粗糙度均匀，表面洁净、无氧化、无深划痕、少亮线、无明暗带等。
电解铜箔在生产过程中，阴极辊表面的机械腐蚀和电化学腐蚀会逐渐加剧。生产时间越长，阴
极辊表面腐蚀越严重，进而影响铜箔的表面品质。目前市场对同一卷铜箔表面一致性要求极高。因
此，阴极辊在使用一段时间后必须进行抛光，将阴极辊表面因腐蚀而产生的银色氧化膜以及附着在
阴极辊表面的杂质一并去除，恢复阴极辊表面平整光滑的工作状态。
修复阴极辊时主要有在线抛光和离线抛光两种方式。
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1.1 阴极辊磨刷的选择和评价指标
1.1.1 磨刷的结构
图1 磨刷的结构
Figure 1 Structures of different grinding brushes
1.1.2 磨料的选择
在线抛光是指阴极辊不调离生产线，对阴极辊表面进行轻度清洁，去除表面氧化皮和杂质，一
般采用阴极辊专用磨刷。因为无需将阴极辊调离，所以在线抛光对生产影响较小，操作相对方便。
一般可以调整抛光时间间隔、磨刷粒度、磨刷硬度等条件，使得阴极辊始终保持较好的表面状态，
维持电解铜箔的表面一致性[3]。
当阴极辊表面出现碰伤或者划伤而不能由在线研磨进行修复时，就需要将阴极辊调离生产线，
使用研磨力更强的聚乙烯醇研磨轮在专用的磨床上进行修复，此所谓离线抛光。离线抛光需要停
产，会影响生产效率，同时在拆装过程中要非常小心，阴极辊表面不能再产生碰伤和划伤[4]。
如图1所示，磨刷有3种形式：叠合形式，飞翼形式，卷紧形式。3种形式满足了不同金属的研
磨需要。其中叠合形式和卷紧形式多应用于不锈钢。对于钛辊的在线研磨，考虑到钛是比较软的金
属，且需提供均匀一致的清洁效果和较强的研磨力，所以大多采用飞翼形式。飞翼形式可以通过改
变研磨材料的种类和片数来调整磨刷的研磨力和均匀性。
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图2 各种磨料的形状
Figure 2 Shapes of different abrasives
1.1.3 磨刷的粒度
表1 不同磨粒标准的粒径对照表
Table 1 Particle size conversion chart for abrasives between different standards
常见的磨料如图2所示，每种磨料的硬度、韧性和适用的材质均有不同。阴极辊的材质为钛，
是一种对研磨温度极度敏感且非常难加工的金属。针对钛金属的抛光清洁应用，推荐采用黑碳化硅
磨料进行研磨，主要原因是相对于其他磨料，碳化硅外形更加尖锐，同时矿砂比较容易破碎，在研
磨钛表面时研磨力强，不容易粘着，矿砂在破碎的过程中能维持研磨力。
粒度是指磨料颗粒的粗细程度，磨料的粗细规格用粒度号来表示。目前各国所采用的粒度划分
标准不同(见表1)，如日本采用JIS标准，美国采用ANSI标准，欧洲采用FEPA标准，中国的GB标准
与FEPA一样。
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1.2 磨刷的研磨力
图3 无纺布研磨材料结构及弹性研磨原理
Figure 3 Schematic diagrams showing the structure of nonwoven abrasive material and
the principle of elastic grinding
在钛辊研磨刷中通常有#800、#1000、#1500(也有部分客户称这个粒度为#1200)、#2500(有
少数要求阴极辊更精细表面效果的客户会选用)等不同粒度的磨料应用于不同种类的铜箔生产。
总体而言，磨料颗粒越粗，研磨力越强，去除氧化皮杂质的效果越好，同时研磨后阴极辊表面
越粗糙；颗粒越细，研磨力越弱，研磨出来的阴极辊表面越细腻、均匀。
磨刷的研磨力主要通过2个方面来调整：一是不织布研磨材料本身的研磨力；二是磨刷的硬度
(或者片数)。其中不织布研磨材料对研磨过程起决定性作用。
不织布研磨材料由3个部分构成：矿砂，纤维，结合剂(如图3所示)。在研磨阴极辊的过程中，
这3个要素相互影响。磨粒在研磨中起主要作用，结合剂的力学性能、纤维的结构强度等也同样影
响研磨效果。简言之，通过这3个部分的调整可以获得具有不同研磨力和均匀性的研磨材料，进而
影响最终的抛光效果[5]。
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1.3 研磨效果的评价指标
图4 Ra的定义
Figure 4 Definition of Ra
图5 Rz的定义
Figure 5 Definition of Rz
1.4 阴极辊在线研磨常见工艺
与普通的砂纸不同，无纺布研磨材料的基材是尼龙，磨粒对工件表面更多的只是表面清洁、抛
光等作用，这个过程被称为“弹性研磨”。弹性研磨主要改变工件的表面状态，不改变工件的本体尺
寸。这一点在钛辊清洁中非常重要。
阴极辊研磨后的粗糙度是研磨效果的核心控制参数，其中以Ra、Rz最为常见。
Ra是指一个取样长度内，被测轮廓线上各点距中线距离的算术平均值(如图4所示)。它反映了
整体平均的粗糙度水平。
Rz是在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和(如图5所
示)，它反映了表面的均匀性。
经过多年工厂现场实践，阴极辊在线研磨可以总结为3个步骤：
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1.5 阴极辊在线研磨影响要素和研磨效果之间的关系研究框架
2 阴极辊在线研磨常见问题及解决方案
2.1 阴极辊表面出现亮线/深划痕
2.2 阴极辊表面粗糙度不达标
图6 亮线/深划痕示意图
Figure 6 Schematic diagram of bright line or deep scratch on Ti roller surface
(1)粗磨，其主要目的是初步清除表面的氧化层和杂质，将这些杂质和氧化层从钛辊表面转移
到磨刷表面。
(2)清洁磨刷，将磨刷表面的杂质洗去，使磨刷表面恢复清洁。
(3)精抛，即再次用磨刷抛光钛辊表面，使得钛辊表面达到均匀一致的效果。
由于生箔设备生产厂家不同，每个铜箔制造企业会根据自身的设备情况对研磨步骤进行调整。
重点是避免出现由于杂质累积而造成的明暗带、磨刷表面堵塞等情况。
钛辊表面研磨效果需要考察以下几个方面：阴极辊表面是否均匀，无划伤或亮线；阴极辊表面
氧化层、杂质是否研磨干净，进而影响阴极辊的氧化周期；阴极辊表面的Ra、Rz是否稳定可控，
能否满足不同厚度、不同粗糙度铜箔的生产要求；阴极辊研磨后生成的铜箔有无针孔、撕边、过氧
化等情况。
影响因素包括：无纺布材料本身的配方、粒度选择，无纺布加工成刷子的工艺、片数选择，以
及现场设备的工艺参数调整等。
在阴极辊研磨过程中时常会有深划痕出现，如图6所示。其主要原因是磨刷表面出现杂质或者
大的胶砂颗粒。可以选择不同种类的无纺布研磨材料来改善亮线和深划痕的问题，同时适当降低磨
刷的工作压力或者调整磨刷的软硬度。
粗糙度是研磨效果的综合反映，主要由磨刷的选择和工艺参数所决定。通过调整工艺参数和磨
刷可以改变在线研磨后阴极辊表面的粗糙度。
研磨后阴极辊的表面粗糙度与目标值相差较大可能是磨刷的粒度选择出现误差。不同粒度的磨
刷在同等参数下研磨出的光亮度和粗糙度完全不同，需要根据客户的目标进行适当选择。
在工艺参数方面，适当增大(减小)研磨压力会令粗糙度增大(减小)，转速、摆动频率、磨刷的
旋转方向等也会影响阴极辊的粗糙度。通过调整这些工艺参数可获得不同的表面粗糙度。
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2.3 氧化周期过短或者不稳定
2.4 阴极辊表面出现明暗带
图7 阴极辊表面明暗带示意图
Figure 7 Schematic diagram showing the nonuniform gloss phenomenon on Ti roller
surface
氧化周期是指钛辊在线使用过程中两次研磨间隔的时间。磨刷的研磨力和钛辊的清洁效果息息
相关，而表面清洁效果直接影响到钛辊的氧化周期：如果阴极辊清洁不干净，阴极辊很快就会再次
氧化，必须停机进行再次研磨；反之，钛辊表面深度清洁干净则可以保持较长久的时间不需要研
磨，从而保证长时间连续生产。
氧化周期过短可能是因为磨刷本身的研磨力不够，或者是因为磨刷使用过程中表面累积了污染
而造成研磨力不够，清洁不干净。
磨刷研磨力的调整方法为：选用同一粒度、但是研磨力更强的磨刷，或者选用粒度更大的磨
刷。更换磨刷之后需要适当调整工艺参数，以满足生箔的要求。
需要特别注意的是，当磨刷表面污染累积到一定程度时，很难通过水流的冲洗来达到清洁的目
的，只能通过离线的外圆修整来去除表面污物。通过调整磨刷定期离线修磨的频率和尺寸可以解决
磨刷表面污染累积的问题。
新磨刷上机后，在研磨若干次阴极辊之后，有时会在阴极辊表面留下明暗带，如图7所示。这
时需要观察两点：(1)明暗带对应磨刷的位置是否有杂质残留；(2)阴极辊明暗带和磨刷喷水口的位
置是否有对应关系。
依据现场经验，明暗带的产生与磨刷表面杂质的累积相关。有杂质累积的地方，磨料的暴露较
少，研磨力不够，而没有杂质的地方，磨料正常裸露。这导致了磨刷表面光泽不均匀，最终在阴极
辊表面产生明暗带。
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3 总结
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学无止境，继续您的研学之旅吧！
短期的解决方法是降低转速，减少杂质在磨刷表面的累积。长期的解决方案是通过调整喷水口
的流量和位置，加速清洁磨刷表面，使其在使用时一直保持清洁。
铜箔行业飞速发展，阴极辊研磨技术在不断更新换代[6]。然而无论铜箔产品如何变化，始终需
要一个表面均匀、无亮线、无划伤、清洁干净的阴极辊来保障铜箔生产的连续进行。本文只是简单
探讨了部分阴极辊在线研磨中常见的问题，并根据多年工程实践，从研磨原理上分析了相关的原因
和给出部分解决方法，希望给同仁提供一点参考。
End
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