C5210錫磷青銅薄帶生產(chǎn)工藝的研究

〔摘 要〕針對(duì)C5210錫磷青銅帶在實(shí)際生產(chǎn)過程由于工藝控制不合理，出現(xiàn)的鑄坯偏析嚴(yán)重、晶粒粗大、板形不良及尺寸精度不高等問題，對(duì)C5210錫磷青銅帶連鑄工藝、均勻化退火工藝、粗中軋工作輥凸度選擇、精軋機(jī)輥系配置參數(shù)選擇及中間退火工藝進(jìn)行研究，得到了更為合理化的生產(chǎn)工藝控制條件。試驗(yàn)證明，采用優(yōu)化后的條件生產(chǎn)可以解決上述常見問題，達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)，滿足市場需求。

〔關(guān)鍵詞〕C5210錫磷青銅薄帶；偏析；晶粒粗大；退火工藝；凸度

中圖分類號(hào)：TG333" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-001１-05

Study on the Production Process of C5210 Tin-phosphorus Bronze Thin Strip

CHEN Chungang1， LIU Yufei2， GUI Jiabin2，QIU Jiangen1，WANG Tengyun1

（1.Fujian Zijin Copper Industry Co.， LTD.， Longyan， Fujian 364200，Ｃhina；

2.Jiangxi Copper Industry Group Copper Strip Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330000，Ｃhina）

Abstract" In response to the problems of C5210 tin phosphorus bronze strip in the actual production， such as severe casting billet segregation， coarse grains， undesirable plate shape， and low dimensional accuracy caused by unreasonable process control， the paper studies the continuous casting process of C5210 tin phosphorus bronze strip， homogenizing annealing process， selection of roughing/intermediate roll convexity， parameters selection of finish roll system and intermediate annealing process to obtain more rational production process control conditions. The test results proved that the optimized production can solve the above common problems， achieve large-scale production， and meet market demand.

Keywords" tin-phosphor bronze thin strip; segregation; coarse grains; annealing process; convexity

鈹銅作為高強(qiáng)高彈性的銅合金，其高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率、高硬度、高耐磨性和高耐蝕等性能得到了研究人員的廣泛關(guān)注，并在電子行業(yè)中有多種關(guān)鍵應(yīng)用。但鈹是一種劇毒元素，在熔煉、鋸切、酸洗過程中產(chǎn)生的微量鈹粉塵和鈹離子可使人致癌，產(chǎn)生“鈹肺”[1-2]；且銅鈹合金材料的價(jià)格昂貴，生產(chǎn)加工成本高，因此研究人員一直在尋找一種高強(qiáng)度、高彈性、高硬度、無毒的銅合金取代鈹銅合金[3]。

錫磷青銅具有彈性、耐磨性、抗磁性和抗腐蝕性良好，易焊接等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，有望作為鈹銅合金的替代產(chǎn)品應(yīng)用到電子信息行業(yè)的高端領(lǐng)域。然而，我國高精度錫磷青銅帶的產(chǎn)品質(zhì)量，與國外先進(jìn)國家的產(chǎn)品相比，仍存在一定的差距[6]。國內(nèi)一些用于高端連續(xù)端子、連接器和引線框架的高質(zhì)量錫磷青銅帶還依賴于從國外進(jìn)口。為解決Ｃ５２１０錫磷青銅薄帶生產(chǎn)中的力學(xué)性能差、尺寸精度低、板型不良、表面質(zhì)量不佳等問題，本文擬結(jié)合現(xiàn)場工藝試驗(yàn)，針對(duì)生產(chǎn)工藝和控制要求提出合理化建議，使高精度錫磷青銅薄帶質(zhì)量滿足現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的要求，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

1" "試驗(yàn)方法

本文采用水平連鑄的方法制備了C5210合金帶材。鑄坯經(jīng)過均勻化退火后，經(jīng)過多道次軋制和退火后，得到了0.15 mm的C5210合金帶材。工藝流程圖如圖1所示。

采用帶引伸計(jì)的DDL100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備所得的Ｃ５２１０合金帶材樣品進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度設(shè)置為2 mm/min，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄載荷、位移數(shù)據(jù)，試驗(yàn)?zāi)康臑闇y量抗拉強(qiáng)度及延伸率。采用硬度測試儀器華銀200HVS-5數(shù)顯硬度計(jì)進(jìn)行測試，其維氏硬度每次測量所加載荷為 5 kg，加載時(shí)間為15 s。每個(gè)樣品至少測量5次，去掉最大值和最小值后取平均值作為試驗(yàn)的硬度值。

根據(jù)JIS標(biāo)準(zhǔn)，C5210合金中w（Sn）范圍在7.0%～9.0%，為確定具體Sn含量對(duì)合金性能的影響，本項(xiàng)研究分別制備了w（Sn）為7.5%、8.0%、8.5%和9.0%的板帶材，對(duì)其抗拉強(qiáng)度、硬度和延伸率等相關(guān)性能進(jìn)行測定。結(jié)果如圖2所示。

圖2" 不同Sn含量C5210板帶的性能

由圖2可以看出，隨著Sn含量的上升，合金的抗拉強(qiáng)度和硬度升高，延伸率急劇降低。合金內(nèi)

w（Sn）=7.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度僅為738.4 MPa；當(dāng)w（Sn）為9.0%時(shí)，合金的延伸率為8.1%。性能均達(dá)不到使用要求。因此，結(jié)合不同Sn含量的合金性能以及實(shí)際生產(chǎn)過程中的偏差，最終確定C5210合金的w（Sn）為8.3%～8.6%時(shí)，性能更佳。具體成分如表1所示。

表1" "C5210 錫磷青銅合金化學(xué)成分

2" "結(jié)果和討論

C5210合金帶材軋制過程有兩個(gè)難點(diǎn)，一是軋輥剛度和輥系配對(duì)差對(duì)薄帶厚度公差的影響，二是退火工藝的確定。

2.1" 連鑄工藝研究

根據(jù)Cu-Sn相圖（見圖3），錫磷青銅凝固時(shí)的結(jié)晶區(qū)較大，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析。鑄錠時(shí)，容易形成“疏松”或“分散縮孔”，使成品帶材表面“起皮”；同時(shí)，在鑄錠時(shí)還容易發(fā)生Sn含量“外高內(nèi)低”的反偏析現(xiàn)象，導(dǎo)致冷軋開坯時(shí)出現(xiàn)“藍(lán)斑”，甚至開裂。因此需要調(diào)整鑄造工藝，減少偏析。

圖3" Cu-Sn二元相圖

根據(jù)反偏析機(jī)理[8-9]，筆者認(rèn)為影響反偏析的主要因素是鑄造溫度（t）、鑄造速度（v）和冷卻強(qiáng)度（p）[10]，因此以下針對(duì)這3個(gè)因素對(duì)鑄坯的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。采用3因素3水平L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行了顯微組織觀察和偏析層厚度的測定。其中，考慮到鑄造溫度一般比合金的液態(tài)溫度高１１０～１５０ ℃，因此選擇1 160 ℃、１ １８０ ℃、１ ２００ ℃ ３個(gè)澆鑄溫度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2" L9（34）正交試驗(yàn)

如圖4和圖5所示，分別對(duì)9個(gè)試樣的微觀組織進(jìn)行了觀察并測量了偏析層厚度，發(fā)現(xiàn)9個(gè)試樣的微觀組織均為枝晶組織，都存在一定程度的偏析。試樣5的顯微組織均勻，枝晶間距細(xì)小，有利于后續(xù)加工處理。通過對(duì)所有試樣的偏析層進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，試樣5的偏析層厚度最低，為0.61 mm，因此選擇鑄造溫度1 180 ℃、鑄造速度159 mm/min和水壓0.4 MPa。

圖5" 不同試驗(yàn)條件對(duì)偏析層厚度的影響

2.2" 粗軋和中軋工作輥凸度的選擇

粗軋是預(yù)精軋及精軋的準(zhǔn)備工序，主要為后續(xù)軋制提前提供變形量。一方面，粗軋時(shí)要發(fā)揮粗軋?jiān)O(shè)備的能力以及材料的塑性，盡量減少軋制道次，提高軋制速度；另一方面，要保證帶材厚度公差穩(wěn)定，不出現(xiàn)明顯公差跳動(dòng)[11-12]。

本項(xiàng)目粗軋采用■330 mm/■760 mm×600 mm四輥可逆粗軋機(jī)，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)優(yōu)化，建立了C5210帶坯粗軋工藝制度為：14.5 mm—12.0 mm—9.5 mm—7. 5 mm—6.3 mm—5.3 mm—4.5 mm—中間退火—3.24 mm—2.43 mm—2.0 mm。在軋制過程中，發(fā)現(xiàn)工作輥采用平輥軋制，彎輥力給到最大值時(shí)，仍然無法保證帶材寬度方向截面厚度5點(diǎn)差控制精度。為滿足最終產(chǎn)品公差控制需要，擬采用增加工作輥凸度的措施。為確定最佳的工作輥凸度，選取3種不同凸度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3" 粗軋工作輥凸度對(duì)厚度精度的影響 mm

由表３可以看出，工作輥凸度為0.06 mm時(shí)，五點(diǎn)差控制精度最優(yōu)。

本項(xiàng)目中軋采用■230 mm/■600 mm×600 mm四輥可逆中軋機(jī)，控制產(chǎn)品尺寸公差精度及帶材最終性能。中軋不采用大壓下量，厚度為2.0 mm的合金經(jīng)中軋后，厚度為0.7 mm。與粗軋工序工作輥試驗(yàn)類似，中軋機(jī)經(jīng)過3種不同凸度的工作輥試驗(yàn)，最終確定使用凸度為0.04 mm的工作輥。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

2.3" 精軋輥系配置參數(shù)選擇

精軋是超薄合金銅帶生產(chǎn)的關(guān)鍵性工序，由于厚度上的特殊性，精度難以控制。采用美國I2S二十輥精軋機(jī)保證軋制薄帶的精度。該設(shè)備的最大入口厚度為1.5 mm，最小出口厚度為0.05 mm，最大軋制速度為600 m/min。合金薄帶產(chǎn)品軋制過程見圖6。

因精軋機(jī)工作輥磨削次數(shù)較多，且數(shù)量較多，軋輥配對(duì)差值也較大，為保證產(chǎn)品尺寸能夠達(dá)到要求，且為后續(xù)生產(chǎn)提供參考依據(jù)，分別選取了3種不同配對(duì)差進(jìn)行工作輥試制，試制結(jié)果見表5。

表5" 工作輥配對(duì)差對(duì)帶材厚度精度的影響 " mm

由表５可知，工作輥配對(duì)差≤0.3 mm時(shí)，對(duì)產(chǎn)品精度的影響最小。

二十輥軋機(jī)軋制0.10 mm以下超薄帶時(shí)，道次加工率、軋制速度和張力等參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)造成帶材邊部撕裂，甚至斷帶，影響帶材質(zhì)量，因此需要針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)不同道次的道次加工率進(jìn)行了調(diào)整，如表6所示，同時(shí)調(diào)整軋制速度為200～260 m/min，并采用較小的后張力軋制，穩(wěn)定后張力的同時(shí)，能有效地穩(wěn)定軋制壓力。軋制厚度為0.05～0.15 mm的合金薄帶材時(shí)，張力控制在3～6 kN，調(diào)整后軋機(jī)軋制力均衡，帶材厚度波動(dòng)情況良好，軋后產(chǎn)品平整、厚度均勻。

表6" 道次加工率" " " " " " "%

通過上述軋制工藝參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了合金薄帶的高精軋制。0.15 mm的Ｃ５２６合金帶材軋后厚度為0.05 mm，厚度公差能控制在±0.003 mm。合金超薄帶材工藝優(yōu)化后厚度公差如圖7所示。

2.4" 均勻化退火工藝

對(duì)鑄坯觀察發(fā)現(xiàn)，鑄坯中Sn元素存在著明顯的反偏析和枝晶偏析的現(xiàn)象。偏析的存在會(huì)使得材料的塑性變形不均勻，從而容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，因此需要在軋制之前對(duì)鑄坯進(jìn)行均勻化退火處理，確定合理的均勻化退火制度。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，分別選取570 ℃、600 ℃、630 ℃、670 ℃、700 ℃和730 ℃ 6個(gè)溫度對(duì)鑄坯進(jìn)行均勻化退火試驗(yàn)，退火時(shí)間為8 h；并對(duì)退火后樣品的金相組織進(jìn)行觀察。不同均勻化退火溫度下鑄坯顯微組織如圖8所示。

如圖8所示，570 ℃退火8 h后仍然為枝晶組織，600 ℃退火8 h后枝晶消失，變成等軸晶。隨著退火溫度的升高，晶粒明顯長大，孿晶結(jié)構(gòu)愈發(fā)發(fā)達(dá)。730 ℃退火8 h后，晶界明顯粗化，溫度過高，引起了晶界的局部熔化。根據(jù)上述結(jié)果，試驗(yàn)選擇在670 ℃下分別退火8 h、12 h、２０ h和24 h，研究退火時(shí)間對(duì)合金組織晶粒大小的影響。不同退火時(shí)間對(duì)鑄坯合金相組織見圖9。

由圖９可以看出，在６７０ ℃下，退火８ h后，合金晶粒不再明顯長大。因此，確定均勻化退火工藝條件為670 ℃下，退火８ h。

2.5" 中間退火工藝

中間退火工序是消除加工硬化、調(diào)節(jié)帶材晶粒大小，使得材料能夠進(jìn)一步冷變形[13-14]的重要環(huán)節(jié)。本文分別在450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃和650 ℃下對(duì)合金退火2 h，觀察其組織和性能變化。不同退火溫度下的合金顯微組織見圖10。

由圖１０可以看出，合金軋制后顯微組織呈纖維狀，經(jīng)450 ℃×2 h退火后，再結(jié)晶已經(jīng)比較完全。隨著退火溫度的升高，晶粒顯著長大。晶粒長大會(huì)影響后續(xù)軋制時(shí)晶粒變形的協(xié)調(diào)性，因此中間退火溫度控制在550 ℃。

3.5" 成品退火工藝

錫磷青銅是一種低溫退火型合金，即合金在低于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行低溫處理，有助于改善合金的性能[15-16]。試驗(yàn)將經(jīng)二次中間退火軋制后的帶材分別置于160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃和240 ℃的低溫下退火2 h，觀察其組織情況。不同退火溫度下帶材的金相組織見圖11。

圖11" 不同低溫退火溫度下的合金帶材金相組織

由圖１１可以看出，低溫退火工藝的退火溫度對(duì)合金的顯微組織沒有明顯影響。為了進(jìn)一步探究退火時(shí)間對(duì)性能變化的影響，在220 ℃下分別進(jìn)行60 min、90 min、120 min和150 min退火，測試抗拉強(qiáng)度和延伸率變化情況見圖12。

由圖１２可以看出，低溫處理后的錫磷青銅帶材隨著退火時(shí)間的增加，抗拉強(qiáng)度無明顯變化，但延伸率明顯提高。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，C5210合金成品低溫退火溫度確立為200～240 ℃，保溫時(shí)間確立為1～2 h。

4" "結(jié)論

綜上所述，通過本文對(duì)C5210錫磷青銅帶連鑄工藝、均勻化退火工藝、粗中軋工作輥凸度選擇、精軋機(jī)輥系配置參數(shù)選擇及中間退火工藝的研究，得到以下結(jié)論：1）C5210錫磷青銅合金的主成分Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在8.3%～8.6%。２）水平連鑄關(guān)鍵控制參數(shù)澆鑄溫度為1 180 ℃±10 ℃、鑄造速度為159 mm/min、水壓為0.4 MPa。3）均勻化退火溫度選擇在600～680 ℃、保溫時(shí)間為6～8 h，提高溫度可以適當(dāng)縮短退火的時(shí)間；中間軟化退火溫度應(yīng)控制在500～550 ℃；成品退火溫度控制在200～240 ℃，保溫時(shí)間為1～2 h。4）粗軋機(jī)工作輥凸度為0.06 mm、中軋機(jī)工作輥凸度0.04 mm、精軋機(jī)工作輥配對(duì)差≤0.3 mm、成品軋制時(shí)后張力為3～6 kN。

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收稿日期：2023-11-01

作者簡介：陳春剛 （1980—），男，高級(jí)工程師，主要從事銅板帶生產(chǎn)、工藝研發(fā)、質(zhì)量管理工作。