框架材料表面粗糙度控制工藝研究

姚廷鑫，盧 燕，馮麗婷

(安徽鑫科新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241006)

引線框架帶材，目前應用最廣泛的仍是美國環(huán)球金屬制品有限公司最早開發(fā)的中強高導型Cu-Fe-P系合金(如C19400、KFC等)，具有成本低廉、強度中等、高導電性、高導熱性和良好的釬焊性、浸潤性、加工成型性等優(yōu)良特性。國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了C19400合金的商品化生產(chǎn)，占據(jù)了國內(nèi)的主要市場份額[1]。

Cu-Fe-P系合金C19400在集成電路和LED領域已經(jīng)得到了廣泛應用，厚度一般為0.1mm～1.5mm，特別是因其抗震耐沖壓、光響應速度快、省電節(jié)能和壽命長、可靠性高等需求，對框架材料的性能、表面質(zhì)量及粗糙度等提出了更高要求[2-6]。石海忠、成明建等[7]根據(jù)對引線框架表面粗糙度的測試和分析，發(fā)現(xiàn)影響軟焊料沾潤性的重要因素是引線框架表面的粗糙度。粗糙度越大，軟焊料沾潤性越差；反之粗糙度越小，軟焊料沾潤性越好，軟焊料沾潤性好壞對功率器件的接觸電阻、熱阻等影響比較大。

框架銅帶材生產(chǎn)中軋制主要采用高精度6輥和20輥精軋機，材料在使用過程中需要進行部分或全部鍍銀、錫或鎳等，銅帶表面粗糙度對鍍層的厚度、鍍層質(zhì)量有明顯影響。而框架材料用銅帶表面粗糙度與成品軋制有直接關系，其軋輥是成品軋制的重要部件，是實現(xiàn)框架材料軋制過程中塑性變形的直接工具?？蚣懿牧弦蚱涞痛植诙燃案弑砻嬉髮堓佡|(zhì)量要求非常嚴格，影響銅帶表面粗糙度的因素有合金成分、軋輥粗糙度、軋機冷卻潤滑條件、帶坯狀態(tài)、表面研磨等，而軋輥粗糙度和輥面質(zhì)量是影響銅帶表面粗糙度及質(zhì)量的主要因素，磨削加工工藝及輥型決定軋輥粗糙度及輥面質(zhì)量。

郝燕萍、周振新等[8-13]對磨削中影響粗糙度及磨削質(zhì)量的因素進行了研究，結果表明，磨削特別是外圓高速磨削影響粗糙度及磨削質(zhì)量的因素主要有砂輪和軋輥轉速、砂輪和軋輥材質(zhì)、磨削深度等。徐冬、劉建新等[14-15]對LED用黃銅、銅箔等表面粗糙度及表面質(zhì)量的影響因素進行了研究，結果表明，壓下率、軋制速度等工藝對箔材表面粗糙度及表面質(zhì)量有明顯影響。

軋輥磨削除了依靠精良的軋輥磨床之外，對特定軋輥選用與之相匹配的砂輪、磨削工藝及磨削輥型也是至關重要的。目前國內(nèi)對軋制銅帶粗糙度的控制研究較少。因此，本文設計了生產(chǎn)中易于調(diào)整的磨削工藝及軋制速度進行實驗，為銅板帶材的表面粗糙度控制提供借鑒。

1 實驗條件及方法

銅帶表面粗糙度的影響因素選定厚度為0.25mm的C19400材料為研究對象，主要研究銅帶表面粗糙度與軋輥粗糙度的對應關系以及影響軋輥粗糙度的磨削工藝，通過不同的軋輥磨削工藝對軋輥進行磨削，用不同粗糙度的軋輥軋制銅帶，對軋輥和銅帶表面粗糙度進行測量分析。

銅帶加工流程為，熔煉—鑄造—熱軋—銑面—粗軋—切邊—退火—清洗—預精軋0.4mm—連續(xù)退火—20輥精軋。20輥精軋的軋制規(guī)程為兩道次軋制到0.25mm，總加工率為37.5%，冷卻油量入口側為300L/min，出口側為50L/min，由第二道次軋制0.25mm時更換實驗軋輥，銅帶軋制速度為181m/min、208m/min、239m/min。軋制后清洗取樣測量表面粗糙度及觀察表面。

實驗用20輥軋機Φ90mm的工作輥、Φ85mm內(nèi)中間輥、Φ145mm和Φ150mm外中間輥作為軋輥粗糙度的研究。軋輥材質(zhì)為高速鋼，硬度分別為工作輥64HRC～66HRC，內(nèi)中間輥為58HRC～60HRC，外中間輥的為60HRC～62HRC，磨削實驗環(huán)境為溫度20℃條件下進行。選用嘉士多的磨削液，用91A180F15VPMF601W的砂輪進行磨削。砂輪的速度選用45m/s、40m/s、35m/s、30m/s、25m/s、15m/s。軋輥的速度選用14m/min、22m/min、28m/min，磨削后測量輥面粗糙度及觀察輥面質(zhì)量。

(1)軋輥磨削工藝一。軋輥軸向進給磨程速度為粗磨1200mm/min、精磨500mm/min、超精磨和拋光400mm/min，粗磨、精磨、超精磨的切入深度分別為6μm、3μm、2μm。拋光2次、超精磨2次、精磨2次、其余粗磨，磨削余量為0.06mm。

(2)軋輥磨削工藝二。軋輥軸向進給磨程速度為粗磨1400mm/min、精磨500mm/min、超精磨和拋光320mm/min。粗磨、精磨、超精磨的切入深度分別為6μm、6μm、6μm。拋光2次、超精磨2次、精磨2次、其余粗磨。磨削余量為0.06mm。

銅帶軋制設備為高精度20輥可逆冷精軋機，軋輥磨削采用FlexGrind S1600數(shù)控外圓高精度磨床，檢測儀器為HommelT1000表面粗糙度儀、MM800工具顯微鏡及光學顯微鏡。

2 實驗結果及分析

2.1 軋輥輥面粗糙度Ra

工作輥的表面硬度為64HRC ～66HRC，硬度高，磨削平輥，由實驗得到工作輥的表面粗糙度Ra整體低(表1)。采用磨削工藝一時軋輥表面無明顯螺旋紋、震紋、燒傷等缺陷。采用磨削工藝二時軋輥表明易出現(xiàn)螺旋紋、震紋等缺陷，偶有因沙粒脫落造成的劃傷和劃痕。不同磨削工藝的工作輥輥面如圖1所示，可以看出，磨削工藝一低粗糙度的輥面明顯光亮。

(a)磨削工藝一，Ra=0.047μm；(b)磨削工藝二，Ra=0.156μm圖1 不同磨削工藝的工作輥表面Fig.1 Work roll surfaces for different grinding processes

表1 不同軋輥轉速下工作輥Ra測量結果(單位：μm)Tab.1 Measurement result of work roll Ra under different roll speeds (unit:μm)

當砂輪轉速為45m/s，工作輥轉速14m/min，采用磨削工藝一時，Ra值最低，為0.047μm；當砂輪轉速為15m/s，工作輥轉速28m/min，采用磨削工藝二時，Ra值最高，為0.156μm。

內(nèi)中間輥的硬度為58HRC ～60HRC，硬度低，采用磨削工藝一進行平輥磨削，得到的軋輥表面粗糙度Ra為0.099μm～0.192μm，表面光潔，無缺陷。外中間輥的表面硬度為60HRC ～62HRC，硬度居中，采用磨削工藝一磨削凸輥型，粗糙度為0.097μm～0.183μm，表面光潔(表2)。

表2 不同軋輥轉速下內(nèi)中間輥和外中間輥Ra測量結果(磨削工藝一)(單位：μm)Tab.2 Measurement result of inner and outer intermediate rollers Ra at different roll speeds (grinding process 1) (unit:μm)

從測量數(shù)據(jù)看，在軋輥轉速一定的情況下，砂輪轉速越低輥面粗糙度越高，反之越低，砂輪轉速對輥面粗糙度的影響較軋輥轉速更靈敏。在軋輥硬度相同、軋輥轉速相同的情況下，采用磨削工藝一的方式進行磨削，得到的軋輥表面粗糙度低；當砂輪轉速較低時，兩種磨削工藝粗糙度相差越大，隨著砂輪轉速增加，其粗糙度相差越小。在砂輪轉速相同的情況下，軋輥轉速越低輥面粗糙度越低，反之越高。磨削工藝相同的情況下，軋輥硬度越高，輥面粗糙度越低，反之越高；外中間輥比內(nèi)中間輥硬度高，在相同磨削工藝情況下，外中間輥凸輥和內(nèi)中間輥平輥的粗糙度相當，說明軋輥磨削的輥型對粗糙度有影響，即平輥的粗糙度低于凸輥的。

2.2 銅帶表面粗糙度Ra

實驗設備為四立柱分體式全油潤滑20輥可逆精軋機，20輥精軋機輥系復雜(圖2)，與銅帶接觸的是工作輥S、T，內(nèi)中間輥O、P、Q、R橫向移動具有調(diào)整邊部板形的作用，外中間輥I、K、L、N直徑145mm為動力輥，外中間輥J、M直徑150mm為被動輥。研究表明，影響銅帶表面粗糙度的因素有銅帶成分、來料狀態(tài)、加工道次、道次加工率、冷卻潤滑狀態(tài)、軋輥粗糙度等。

圖2 20輥可逆精軋機輥系Fig.2 20-Roll reversible precision mill roll system

上輥系粗糙度為，內(nèi)中間輥O=0.159，P=0.152；外中間輥I=0.157，J=0.163，K=0.156。下輥系粗糙度為，內(nèi)中間輥Q=0.192，R=0.207；外中間輥L=0.199，M=0.203，N=0.195。從銅帶上、下表面的粗糙度測量結果看，在特定的軋制條件下，銅帶的表面粗糙度由直接接觸的工作輥的粗糙度決定，工作輥粗糙度低銅帶表面粗糙度低，反之越高(表3)。

表3 不同軋輥粗糙度下銅帶表面粗糙度測量結果(單位：μm)Tab.3 Measurement result of surface roughness of copper strip under different roller roughness (unit:μm)

2.3 銅帶表面形貌

采用光學顯微鏡和工具顯微鏡對表面觀察，發(fā)現(xiàn)不同粗糙度的表面存在明顯差異，在光學顯微鏡放大倍數(shù)低的情況下，粗糙度低的表面一致性較好、表面較光潔(圖3(a))，粗糙度高的表面存在較多細小的“亮痕”(圖3(b))。在工具顯微鏡放大倍數(shù)高的情況下，表面粗糙度低的表面沒有明顯的縱向凹痕(圖4(a))，表面粗糙度高的表面有明顯的縱向凹痕(圖4(c))。

(a)Ra=0.074μm；(b)Ra=109μm圖3 不同粗糙度的表面形貌(10×)Fig.3 Surface topography of different roughness(10×)

(a)Ra=0.074μm；(b)Ra=109μm；(c)Ra=183μm圖4 不同粗糙度的表面顯微形貌(400×)Fig.4 Surface microtopography of different roughness(400×)

20輥精軋機動力輥(圖2中I、K、L、N)通過摩擦帶動輥系轉動，內(nèi)、外中間輥粗糙度過低不利于傳動，容易出現(xiàn)輥系間的打滑從而影響帶材表面質(zhì)量。生產(chǎn)中帶材的表面粗糙度主要由工作輥決定，中間輥與帶材的粗糙度沒有明顯關系，因此生產(chǎn)中結合潤滑狀態(tài)選用合適粗糙度的工作輥加工框架材料。

表面粗糙度低的軋輥，軋制采用低粘度的潤滑油，采用最佳壓下率，將潤滑油在軋制過程中所積累的銅粉和雜質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)中過濾干凈，控制來料粗糙度和清潔度，從而獲得低表面粗糙度和高表面光亮度及良好的軋件表面質(zhì)量的帶材。

3 結 論

(1)高精度外圓磨削時，砂輪轉速高、軋輥轉速低、軋輥硬度高、磨削深度小軋輥粗糙度低，軋輥表面質(zhì)量好；反之則高，且表面質(zhì)量差。

(2)外圓磨削的輥型對粗糙度有影響，在相同磨削工藝下，低硬度的內(nèi)中間輥與高硬度外中間輥粗糙度相當，軋輥硬度相同時，凸輥型的粗糙度要高于平輥。

(3)銅板帶的表面粗糙度由軋輥粗糙度決定，與軋制速度沒有明顯關系，因此在實際生產(chǎn)中對軋輥粗糙度的保障至關重要。

(4)表面粗糙度低的銅板帶材表面質(zhì)量好，色澤均勻、表面平整，有利于后續(xù)的電鍍等加工。