T2 純銅鑄錠質(zhì)量改進(jìn)及薄帶折彎改善研究

劉兆洋，張 英，關(guān)騰飛，魯長(zhǎng)建

（凱美龍精密銅板帶（河南）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

T2純銅，美標(biāo)牌號(hào)為C11000，Cu含量≥99.9%，通常外觀呈紫紅色，又稱紫銅。具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、抗腐蝕性能、加工成形性能、可焊性能、拋光性能和表面處理性能等，廣泛應(yīng)用于電工及電子工業(yè)［1］。T2純銅含微量氧和雜質(zhì)，熔煉過(guò)程中吸氣傾向嚴(yán)重，如鑄造工藝或澆注方法不合理，銅液脫氧，排氣，

除渣不徹底，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣、氧超標(biāo)等鑄錠質(zhì)量缺陷［2］。銅帶在后續(xù)加工過(guò)程中，經(jīng)常存在織構(gòu)和各向異性，薄帶沖壓時(shí)，折彎沖壓處會(huì)產(chǎn)生橘皮粗糙及開(kāi)裂現(xiàn)象［3］。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鑄造經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)鑄錠質(zhì)量缺陷產(chǎn)生機(jī)制分析，制定了相應(yīng)的改善措施并進(jìn)行了多爐次的試驗(yàn)，總結(jié)出了一定的工藝經(jīng)驗(yàn)，有效地解決了鑄錠氧含量和內(nèi)部氣孔缺陷問(wèn)題，改善了薄帶折彎性能。

2 鑄錠質(zhì)量缺陷原因分析及改進(jìn)

目前，我司生產(chǎn)的T2純銅寬幅鑄錠單根重量超12t，規(guī)格寬×厚×長(zhǎng)為720mm×220mm×9000 mm，熔煉設(shè)備采用非真空中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐，生產(chǎn)過(guò)程采用敞開(kāi)式澆注方式，保溫爐中液態(tài)金屬經(jīng)過(guò)中間包（流槽）直接進(jìn)入結(jié)晶器，通過(guò)鑄造機(jī)下?tīng)恳?，完成整個(gè)鑄造過(guò)程。生產(chǎn)前期，由于鑄錠規(guī)格大，鑄造時(shí)間長(zhǎng)，銅液熔煉脫氧工藝和鑄造工藝不成熟，出現(xiàn)了鑄錠氧含量超標(biāo)，氣孔，裂紋等質(zhì)量缺陷問(wèn)題。本文主要講述了鑄錠O2含量超標(biāo)和鑄錠內(nèi)部針眼氣孔生成原因及改進(jìn)措施。文中銅液檢測(cè)樣品從熔爐中取出，采用美國(guó)LECO ON736測(cè)氧儀對(duì)銅液及鑄錠樣品O2含量進(jìn)行檢測(cè)分析，采用瑞士Thermo ARL4460光譜儀對(duì)樣品除O2外的其他元素含量進(jìn)行檢測(cè)分析。

如表1［4］所示，國(guó)標(biāo)中O2含量雖無(wú)明確要求，但實(shí)際生產(chǎn)中T2銅中保留微量的氧，一方面對(duì)銅性能的影響不大，另一方面Cu2O可與Bi,Sb，As等雜質(zhì)起反應(yīng)，形成高熔點(diǎn)的球狀質(zhì)點(diǎn)分布于晶粒內(nèi)，消除了晶界脆性。但氧含量過(guò)高，材料內(nèi)部會(huì)有過(guò)多的Cu2O［5］及CuO氧化物存在，過(guò)多的氧化物會(huì)降低材料的致密度，導(dǎo)電性，影響銅帶機(jī)械性能及銅帶耐熱性能。客戶根據(jù)材料使用環(huán)境，對(duì)T2純銅氧含量都有一定要求，一般要求氧含量≤400PPM。因此，工廠會(huì)制定嚴(yán)格的O2含量控制標(biāo)準(zhǔn)，一般O2含量控制在50~200PPM，以滿足銅帶性能質(zhì)量及客戶需求。

表1 T2純銅國(guó)標(biāo)化學(xué)成分

2.1 鑄錠O2含量超標(biāo)原因分析及改善措施

2.1.1 鑄錠O2含量超標(biāo)原因分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，鑄錠O2含量超標(biāo)主要有鑄造前銅液脫氧不徹底，

鑄造過(guò)程中銅液保護(hù)不當(dāng)兩方面原因。

（1）鑄造前銅液脫氧不徹底。

綜合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，原材料潮濕不干燥，熔化過(guò)程中，水分解成氧氣進(jìn)入高溫銅液中。熔煉過(guò)程吸氣，熔化過(guò)程中，銅液沸騰劇烈，銅液覆蓋不嚴(yán)密。爐襯材料及生產(chǎn)輔料及工具不干燥，使用過(guò)程中，水分解成氧氣進(jìn)入高溫銅液中。覆蓋劑類型及添加方式不當(dāng)，覆蓋劑功效性與合金銅液熔體特性不匹配為導(dǎo)致銅液脫氧不徹底可能原因。

針對(duì)以上原因，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采取對(duì)原材料嚴(yán)格管控，熔化期間嚴(yán)格執(zhí)行覆蓋要求，生產(chǎn)前對(duì)爐襯材料及生產(chǎn)輔料及工具提前預(yù)熱的措施，銅液氧含量超標(biāo)問(wèn)題依然無(wú)明顯改善。因此得出，覆蓋劑類型選用不當(dāng)或添加方式不當(dāng)為銅液脫氧不徹底主要原因。

（2）鑄造過(guò)程中銅液保護(hù)不當(dāng)。

綜合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，鑄造期間，保溫爐澆口與中間包接觸處密封性差，中間包中銅液覆蓋不嚴(yán)密，結(jié)晶器上沿銅液覆蓋不嚴(yán)密，為銅液保護(hù)不當(dāng)可能原因。

針對(duì)以上原因，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，鑄造期間，操作人員對(duì)中間包和結(jié)晶器中銅液嚴(yán)格執(zhí)行覆蓋要求，整個(gè)鑄造過(guò)程中，無(wú)銅液裸露現(xiàn)象發(fā)生。因此得出，保溫爐澆口銅液轉(zhuǎn)注時(shí)，澆口與中間包接口處密封不嚴(yán)，銅液有裸露現(xiàn)象發(fā)生，氧氣熔入銅液中為銅液保護(hù)不當(dāng)主要原因。

2.1.2 鑄錠O2含量超標(biāo)改善措施

根據(jù)2.1.1節(jié)中鑄錠O2含量來(lái)源原因分析，得出鑄錠O2來(lái)源原因主要為熔煉時(shí)銅液覆蓋劑類型選用及覆蓋方式不當(dāng)。鑄造過(guò)程中，保溫爐澆口轉(zhuǎn)注時(shí)，澆口與中間包接口處密封不嚴(yán)，銅液有裸露現(xiàn)象發(fā)生，氧氣熔入銅液中。針對(duì)以上原因特制定以下兩個(gè)改進(jìn)措施：

改進(jìn)一：選用新型覆蓋劑，優(yōu)化覆蓋劑添加方式。

圖1（a）原工藝中熔爐銅液采用木炭加磷銅進(jìn)行脫氧，木炭雖然具有一定的還原除氧作用，但木炭燃燒燒損嚴(yán)重，除氧效果有限，僅使用木炭進(jìn)行覆蓋，出爐銅液氧含量維持在160PPM左右，氧含量較高，需使用磷銅對(duì)銅液進(jìn)行脫氧，磷銅雖可有效除氧，但T2純銅中P元素屬于嚴(yán)控有害雜質(zhì)元素，磷銅脫氧時(shí)，磷銅添加量難以控制，生產(chǎn)時(shí)脫氧時(shí)間長(zhǎng)且雜質(zhì)P含量難以控制。圖1（b）新工藝流程相對(duì)傳統(tǒng)工藝流程，主要差異為，使用新覆蓋劑代替木炭、不再使用磷銅脫氧劑進(jìn)行脫氧、保溫前使用碳粉代替木炭對(duì)銅液進(jìn)行覆蓋。

圖1 原工藝與新工藝流程

如表2試驗(yàn)結(jié)果可知，新工藝流程，在不使用磷銅的情況下，出爐銅液氧含量由原來(lái)的131PPM降低至26PPM左右，銅液脫氧效果明顯，同時(shí)簡(jiǎn)化了脫氧工藝，縮短了脫氧時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

表2 新原脫氧工藝銅液氧含量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

改進(jìn)二：改造保溫爐澆口，增加中間包氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置。

對(duì)保溫爐澆口和中間包進(jìn)行改造，在保溫爐澆口流道處增加石墨材質(zhì)澆口，在中間包增加氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置。

如表3和表4測(cè)試數(shù)據(jù)所示，改造后中間包中銅液鑄造期間得到有效防護(hù)，銅液氧含量較改造前降低96PPM左右，效果明顯。改進(jìn)后銅液和鑄錠O2均含量和P均含量得到有效控制，銅液O2含量由原來(lái)的131PPM降低到26PPM以下，P含量由原來(lái)的52PPM降低到11PPM以下。鑄錠O2含量由原來(lái)的334PPM降低到133PPM以下，P含量由原來(lái)的45PPM降低到8PPM，銅液脫氧效果明顯，同時(shí)雜質(zhì)P含量得到有效控制。

表3 改造前后中間包銅液氧含量測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 新原工藝鑄錠氧含量測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 鑄錠內(nèi)部氣孔原因分析及改善措施

2.2.1 鑄錠內(nèi)部氣孔原因分析

氣孔可分為皮下氣孔、圓氣孔、條狀氣孔、針眼氣孔等類型［6］，具體形成原因各有差異。我司鑄錠內(nèi)部氣孔類型如圖2（a）所示，主要為針眼氣孔，大量針眼氣孔均勻分布在鑄錠整個(gè)橫截面。經(jīng)分析導(dǎo)致鑄錠針眼氣孔原因主要為，鑄造工藝參數(shù)不匹配，熔體中氣體無(wú)法及時(shí)排出。

2.2.2 鑄錠內(nèi)部氣孔改善措施

針對(duì)2.2.1節(jié)中鑄錠內(nèi)部氣孔產(chǎn)生原因分析，制定了6組不同鑄造參數(shù)組進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

如表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，在測(cè)試1，2，3中，當(dāng)鑄造溫度和冷卻水流量不變，鑄造速度增加或減小，相對(duì)于原工藝鑄錠內(nèi)部氣孔無(wú)明顯改善。在測(cè)試4，5，6中，當(dāng)鑄造溫度和鑄造速度不變，冷卻水流量逐漸減小，鑄錠氣孔缺陷逐漸減少，當(dāng)鑄造溫度為a，鑄造速度為140mm/min，一次水流量為（b-12）m3/h，二次水流量為（c-20）m3/h，鑄井水位為 6m時(shí)，最終氣孔消失，鑄錠鋸切面如圖2（b）。

圖2 新原工藝鑄錠鋸切面

表5 測(cè)試鑄造參數(shù)組數(shù)據(jù)及結(jié)果

3 銅帶O2和P元素含量對(duì)折彎性能的影響

根據(jù)長(zhǎng)期銅合金帶材生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及客戶使用效果反饋，發(fā)現(xiàn)銅帶中不同O2和P元素含量對(duì)折彎性能有很大影響。當(dāng)銅帶氧含量大于100PPM，P含量低于20PPM時(shí)，銅帶折彎處會(huì)出現(xiàn)橘皮，粗糙，甚至開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖3（a）所示。當(dāng)銅帶氧含量小于100PPM，P含量在（m~n）PPM時(shí)，銅帶折彎處光滑，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，折彎處折彎質(zhì)量明顯提高，如圖3（b）所示。

圖3 T=0.8mm銅帶：90° BW，r= 0.3 mm折彎

4 結(jié)論

（1）在T2純銅熔煉過(guò)程中，使用新型覆蓋劑及優(yōu)化覆蓋劑添加方式，可簡(jiǎn)化脫氧流程，在不使用脫氧劑情況下，有效降低銅液氧含量至26PPM以下，避免了脫氧劑元素殘留在銅液中，增加了銅液純度。鑄造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)中間包增加氮?dú)獗Ｗo(hù)、保溫爐流道增加石墨澆口等密封防護(hù)，可有效減少銅液轉(zhuǎn)注過(guò)程中吸收氧氣。

（2）T2純銅鑄造過(guò)程中，鑄錠的冷卻強(qiáng)度會(huì)直接影響熔體的氣體排出，合適的冷卻強(qiáng)度會(huì)消除鑄錠內(nèi)部氣孔缺陷，提高鑄錠內(nèi)部質(zhì)量。

（3）T2銅帶中，合適的O2和P元素含量配比，可有效解決薄帶折彎開(kāi)裂問(wèn)題，改善薄帶折彎性能。