LED燈引線支架用黃銅帶材生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)開(kāi)發(fā)

劉建新，文志凌，舒 良，樊金金

(安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241008)

LED燈具有光效高、壽命長(zhǎng)、耐震動(dòng)、不易損壞、瞬時(shí)啟動(dòng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是普通照明和道路照明的理想光源。LED燈引線支架用銅帶(以下簡(jiǎn)稱LED銅帶)主要用于LED燈支架表面鍍層的底件，是LED燈具中重要的組成部分。在國(guó)家發(fā)改委先后發(fā)布的《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》及《LED照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見(jiàn)》中，將綠色照明工程列入節(jié)能的重點(diǎn)工程，并以國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼方式，在大力推廣LED高效照明產(chǎn)品這一背景之下，近年來(lái)LED銅帶市場(chǎng)需求旺盛。當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)LED銅帶高端應(yīng)用普遍以Cu-Fe-P系合金為主導(dǎo)[1]，該類型LED銅帶質(zhì)量?jī)?yōu)異但成本高；低端應(yīng)用以Fe基材料為主，具備成本低廉的優(yōu)勢(shì)但質(zhì)量穩(wěn)定性不足，甚至直接縮短LED燈具的壽命。由此，LED銅帶在供應(yīng)質(zhì)量?jī)杉?jí)分化的現(xiàn)狀下，對(duì)能夠兼顧產(chǎn)品質(zhì)量，且材料成本更優(yōu)的新型LED銅帶材料的需求日漸增加。

LED銅帶相較于常規(guī)銅帶產(chǎn)品而言，由于其表面電鍍銀以及后續(xù)焊接金線工藝的需求，要求產(chǎn)品表面微觀紋路均勻的同時(shí)，內(nèi)部組織需保障晶粒均勻且細(xì)小，表面粗糙度Ra≤0.18μm，且產(chǎn)品表面缺陷管控要求≤1處/m(每處面積≤0.1mm2)。同時(shí)，為保障高速?zèng)_床生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，LED銅帶需具備優(yōu)異的均勻一致性與準(zhǔn)確性；具體而言，LED銅帶的側(cè)彎需≤1.0mm/m，平直度≤10I，厚度精度≤±0.004mm，寬度精度≤±0.04mm；力學(xué)性能控制區(qū)間之中，整卷正面銅帶的維氏硬度波動(dòng)范圍≤±10，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍≤±20MPa，其質(zhì)量要求遠(yuǎn)超常規(guī)銅帶產(chǎn)品。

黃銅帶材具備優(yōu)異的綜合力學(xué)性能與加工成型性能，導(dǎo)電率介于Cu-Fe-P系合金與Fe基材料之間[2]，令其成為在考慮綜合成本前提下，替代Cu-Fe-P系合金與Fe基材料應(yīng)用于LED銅帶的最佳選項(xiàng)。

1 黃銅帶材LED銅帶生產(chǎn)控制技術(shù)

1.1 產(chǎn)品表面粗糙度控制技術(shù)

Cu-Fe-P系合金采用表面拋光控制粗糙度的方案，F(xiàn)e基材料直接采用小于0.18μm粗糙度的軋輥軋制控制粗糙度的方案。而黃銅帶材表面硬度介于Cu-Fe-P系合金與Fe基材料兩種材料之間，表面拋光方案無(wú)法保障最終拋光效果，或拋光刷磨損巨大，而小粗糙度軋制方案則容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。因此，為滿足黃銅帶材LED銅帶粗糙度，對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的粗糙度管控方案，具體技術(shù)細(xì)節(jié)包括：(1)為黃銅帶材LED銅帶配置專用軋輥與軋輥參數(shù)，通過(guò)提高軋輥表面硬度保障軋輥表面均勻性的同時(shí)，配備全軋制環(huán)節(jié)逐道次降低粗糙度的軋輥磨削方案，結(jié)合各加工道次的分配情況，分別適用不同的軋輥粗糙度，保障最終軋制環(huán)節(jié)產(chǎn)品粗糙度受控。(2)針對(duì)小粗糙度軋制方案出現(xiàn)打滑的問(wèn)題，在對(duì)軋輥粗糙度和軋制力不能調(diào)整的情況下，通過(guò)對(duì)軋制油的粘度進(jìn)行調(diào)整，以及軋制過(guò)程軋制油噴淋量的管控，解決摩擦力不夠造成的打滑。

1.2 產(chǎn)品表面微觀紋路控制技術(shù)

產(chǎn)品表面微觀紋路的本質(zhì)是軋制過(guò)程中軋輥表面與銅帶表面摩擦后留下的痕跡，也表征了銅帶表面與軋輥表面粗糙度的均勻性。同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程所有與銅帶表面接觸的環(huán)節(jié)，都會(huì)影響到產(chǎn)品表面微觀紋路的控制?；谶@一認(rèn)識(shí)，配套研發(fā)的產(chǎn)品表面微觀紋路控制技術(shù)包括如下具體細(xì)節(jié)：(1)對(duì)黃銅帶材表面與軋輥表面的粗糙度管控，除正常的Ra粗糙度檢測(cè)與不同區(qū)域Ra數(shù)值的控制區(qū)間限定外，進(jìn)一步引入Rmax指標(biāo)的管控，避免銅帶表面或軋輥表面在微觀上存在較大的波峰或波谷。(2)保證銅帶軋制過(guò)程始終處于充分潤(rùn)滑狀態(tài)。(3)銅帶表面在接觸不同輥系與不同拋光刷輥過(guò)程中，輥系表面粘附的顆粒物與拋光刷輥刷毛的軟硬程度同樣直接影響產(chǎn)品表面微觀紋路。生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境衛(wèi)生的管控、輥系工藝衛(wèi)生的管控與拋光刷刷毛的選擇，均需納入日常監(jiān)控范圍，保證表面微觀紋路穩(wěn)定。

1.3 產(chǎn)品平均晶粒度控制技術(shù)

黃銅產(chǎn)品晶粒度主要受產(chǎn)品鑄錠組織、成分、退火工序中退火參數(shù)與爐況(受熱均勻性)的影響，同時(shí)退火前道次加工率也直接影響著黃銅產(chǎn)品的晶粒度指標(biāo)。理想狀態(tài)下，獲取整體晶粒細(xì)小且均勻的組織作為控制技術(shù)的核心目標(biāo)。針對(duì)黃銅LED帶材的研發(fā)，具體配套的晶粒度管控技術(shù)包括：(1)通過(guò)對(duì)結(jié)晶器二次冷卻水孔細(xì)小密排的調(diào)整，并有意識(shí)控制鑄錠成分中結(jié)晶形核核心(如鐵元素)的殘留，為全流程細(xì)小晶粒度的獲取創(chuàng)造基礎(chǔ)。(2)生產(chǎn)全流程配備大加工率與短時(shí)低溫退火的生產(chǎn)工藝，保障各道次晶粒徹底破碎的同時(shí)，每次退火均按照不完全退火的方式進(jìn)行，限制晶粒長(zhǎng)大。并基于此工藝專項(xiàng)描繪加工硬化曲線，保障最終產(chǎn)出產(chǎn)品性能符合控制區(qū)間要求且均勻穩(wěn)定。(3)對(duì)退火設(shè)備實(shí)施專項(xiàng)改造，調(diào)整罩式爐底座風(fēng)機(jī)為變頻電機(jī)，減輕罩式爐退火過(guò)程銅帶表面熱膨脹與收縮階段的粘接以改善表面質(zhì)量，同時(shí)，更重要的是保證退火過(guò)程實(shí)現(xiàn)分階段受控供熱，進(jìn)一步遏制晶粒的不受控長(zhǎng)大。

1.4 產(chǎn)品表面缺陷與量化指標(biāo)控制技術(shù)

相較于常規(guī)黃銅帶材產(chǎn)品而言，黃銅LED銅帶在產(chǎn)品表面缺陷管控與量化指標(biāo)管控上并無(wú)較大差異，僅在產(chǎn)品整體表面控制的穩(wěn)定性、低粗糙度表面所需的額外防護(hù)與量化指標(biāo)管控精度上有所區(qū)別。黃銅LED銅帶生產(chǎn)全流程各工序中特色的管控技術(shù)包括：(1)實(shí)施表面墊紙防護(hù)作業(yè)，避免銅帶之間因粗糙度過(guò)低造成相互錯(cuò)動(dòng)，帶來(lái)產(chǎn)品表面宏觀上的擦劃傷與微觀上的紋路異常?？紤]墊紙成本，對(duì)各工序墊紙均實(shí)施回收循環(huán)應(yīng)用。(2)收卷與開(kāi)卷張力實(shí)施配套銜接，避免銅帶開(kāi)卷階段因與收卷張力不匹配而產(chǎn)生銅帶回松，帶來(lái)產(chǎn)品表面宏觀上的擦劃傷與微觀上的紋路異常。(3)黃銅LED銅帶生產(chǎn)全流程中各工序運(yùn)行速度實(shí)施管控，限制各機(jī)臺(tái)設(shè)備運(yùn)行速度在最優(yōu)相應(yīng)區(qū)間內(nèi)，最大程度避免因機(jī)列運(yùn)行速度差異帶來(lái)的打滑，帶來(lái)產(chǎn)品表面宏觀上的擦劃傷與微觀上的紋路異常。(3)設(shè)定量化指標(biāo)管控點(diǎn)，對(duì)軋制過(guò)程厚度控制精度、板形控制精度實(shí)施量化監(jiān)管，保證量化指標(biāo)均勻穩(wěn)定。

2 黃銅帶材LED銅帶生產(chǎn)實(shí)踐

通過(guò)對(duì)黃銅帶材LED銅帶技術(shù)需求與生產(chǎn)技術(shù)的分析與研發(fā)，最終確定了黃銅帶材LED銅帶生產(chǎn)工藝技術(shù)，以當(dāng)前市場(chǎng)最為典型的H65 Y 0.127mm黃銅LED銅帶產(chǎn)品為例，對(duì)LED銅帶生產(chǎn)工藝技術(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.1 生產(chǎn)工藝流程

熔煉鑄錠260mm→鋸切→步進(jìn)爐(溫度)→熱軋17mm→銑面15.5mm→粗軋2.0mm→毛坯退火480℃×6h→毛坯清洗→中軋0.6mm→中間退火440℃×6h→中厚帶清洗→中精軋0.3mm→中間退火440℃×6h→薄帶清洗→預(yù)精軋0.15mm→松卷→留底退火440℃×6h→薄帶清洗→成品精軋0.127mm→薄帶清洗→拉彎矯直→分切檢驗(yàn)→包裝交付。

2.2 核心工序生產(chǎn)實(shí)際說(shuō)明

(1)成品軋制工序。軋機(jī)規(guī)格為Φ150mm/450mm×500mm，軋制速度180m/min，采用全油軋制，軋輥粗糙度控制在0.05μm～0.10μm；軋制至0.127mm后卸卷。軋制階段，軋制前確認(rèn)專用輥系狀況，添加控粘度用軋制油添加劑2桶，并添加降低軋制油顆粒物的過(guò)濾劑[4]2袋，保證軋制階段的表面受控。軋制過(guò)程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣查看表面及帶型的實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整前后張力、彎輥投入進(jìn)行生產(chǎn)，典型軋制工藝參數(shù)為，生產(chǎn)道次0.15mm～0127mm，加工率15.38%，預(yù)期軋制力80t，前張力2.5kN，后張力2.2kN，彎輥力-1.5kN，速度4.5m/s。

(2)清洗階段。采用堿洗→酸洗→清水沖洗→拋光→熱水沖洗→鈍化→烘干→收卷的方式。堿洗采用DC-362液態(tài)脫脂劑，濃度3%，溫度控制在70℃；酸洗采用硫酸，濃度為4%～6%；拋光采用1000目多股刷，刷毛材質(zhì)氧化鋁，熱水沖洗溫度70℃，鈍化采用CC2002，濃度為0.4%，溫度70℃，速度<60m/min。清洗前準(zhǔn)備，生產(chǎn)前擦拭所有擠干輥，對(duì)工藝介質(zhì)進(jìn)行浮油清理；清洗過(guò)程中，上料時(shí)每卷銅帶的外圈需剪掉1圈。清洗線速度為60m/min，開(kāi)卷張力與收卷張力按照正常生產(chǎn)投入使用；為防止松卷挫傷銅帶整卷墊紙。

(3)拉矯階段。將清洗后厚度為0.127 mm的帶卷采用張力輥和彎曲矯直輥的方式進(jìn)行矯直；其中，張力輥共8個(gè)，直徑500mm，輥間最大張力58kN；彎曲矯直采用6重式23輥矯直，矯直輥直徑16mm，矯直中帶卷延伸率控制在0.08%，帶卷矯直速度100m/min。拉矯前準(zhǔn)備，拉矯階段按照成品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的成分、表面、公差、性能、板型進(jìn)行全面檢查，以上幾項(xiàng)全部合格后繼續(xù)組織生產(chǎn)。拉矯過(guò)程中，針對(duì)產(chǎn)品銅帶板型進(jìn)行修正，經(jīng)拉矯后確保板型平直符合訂單標(biāo)準(zhǔn)。

(4)成品驗(yàn)收工序。依托產(chǎn)品分切作業(yè)工序?qū)ED成品實(shí)施全檢驗(yàn)收，并重點(diǎn)就核心指標(biāo)實(shí)施管控，主要內(nèi)控驗(yàn)收指標(biāo)包括：(1)產(chǎn)品成分應(yīng)符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)，Cu≥64%，Pb≤500ppm，F(xiàn)e≤500ppm；(2)產(chǎn)品維氏硬度應(yīng)符合HV140～HV160；(3)產(chǎn)品尺寸精度，厚度0.127mm～0.007mm×寬度60.8mm～0.1mm；(4)產(chǎn)品表面粗糙度Ra≤0.15μm。產(chǎn)品表面要求為，輔助照明條件下目測(cè)無(wú)正常視力可見(jiàn)缺陷，表面紋路均勻細(xì)膩(圖1)。

圖1 產(chǎn)品表面微觀紋路(40X)Fig.1 Product surface micro-grain (40X)

3 黃銅帶材LED銅帶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成效

自2013年度啟動(dòng)黃銅LED銅帶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)至今，開(kāi)發(fā)成功的黃銅LED銅帶產(chǎn)品作為主打產(chǎn)品，投放市場(chǎng)后銷量連年翻番(表1)，已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中獲得了普遍的認(rèn)可。

表1 2013-2017年度LED黃銅帶銷售情況(單位：t)

2018年度黃銅LED銅帶預(yù)計(jì)全年累計(jì)銷售近萬(wàn)噸，銷售額首次突破5億大關(guān)，為企業(yè)創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為國(guó)內(nèi)LED燈具的大量普及貢獻(xiàn)了企業(yè)應(yīng)有的社會(huì)責(zé)任。