超薄高性能錫磷青銅帶材的生產(chǎn)工藝

中圖分類號(hào)： TG146.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4345（2025）02-0011-05

Production Process for Ultra-Thin High-Performance Tin-Phosphor Bronze Strips

TIAN Juntao

（China Nerin Engineering Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi 33Oo38，China）

Abstract Thepaper makesastudyof the keyproduction processof ultra-thin high-performance tin-phosphor bronze strip （C5210alloy）andproposesastrippreparatioprocess withathicknessofO045＼～0.10mmthroughsystematicexperimentsanddata analysis. The results show that the strip products with tensile strength of ?830 MPa and surface hardness of ? HV230 can be obtained by optimizing various procedures and operations，including burdening ratio （outsourced old materials of ?50% ）， smelting and casting （casting temperature of 1 180 C ， casting speed of 155 mm/min）， homogenizing annealing （670 Cx8.5 h） and rough rolling （size of 3.000 mm）， intermediate rolling （size of 1.000mm ）and finish rolling （size of 0.045 mm）， etc.

Keywords ultra-thin; copper strip; tin-phosphor bronze strip; rolling; process

加工工藝及試驗(yàn)方案

錫磷青銅合金帶材具有高強(qiáng)度、高彈性，優(yōu)異的耐磨性和抗磁性，同時(shí)兼具良好的冷加工性、耐蝕性、焊接性和切削加工性，廣泛應(yīng)用于彈性元件、精密儀器儀表中的耐磨件和抗磁零件的制造。目前，市場主流產(chǎn)品C5191帶材的厚度規(guī)格為 0.15～ 0.30mm 。該型號(hào)帶材生產(chǎn)技術(shù)成熟，平均加工費(fèi)約6000元/t。受產(chǎn)能過剩影響，行業(yè)競爭加劇，加工費(fèi)逐年降低。為提高盈利空間，銅加企業(yè)正逐步將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)高附加值的超薄錫磷青銅帶材。經(jīng)市場調(diào)研，厚度在 0.045～0.100mm 的超薄C5210帶材，市場加工費(fèi)約15000元/t。因此，開發(fā)0.045～0.100mm 超薄C5210錫磷青銅帶材生產(chǎn)工藝，對(duì)豐富產(chǎn)品規(guī)格、提升企業(yè)效益具有重要意義。

1.1鑄壞試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用T2角料/鍍錫線 + 光亮線 + 青銅銑屑 + 青銅外料 + 青銅回料的原料搭配組合進(jìn)行鑄坯。熔煉工藝主要參數(shù)如下：1）加料順序。陰極銅或舊料 煅燒木炭覆蓋 熔化 添加 1/2P-Cu? 添加錫 添加 1/2P-Cu? 攪拌 升溫 檢驗(yàn)分析 成分調(diào)整 升溫扒渣 煅燒木炭覆蓋 靜置 轉(zhuǎn)爐。2）合金配料方案。本試驗(yàn)C5210合金采用了兩種配料方案，具體見表1。3）熔化爐、轉(zhuǎn)爐溫度。熔化爐、轉(zhuǎn)爐溫度控制在 1230～1250^°C4 熔體覆蓋。熔化爐采用木炭覆蓋，厚度為 80～100mm ；保溫爐采用木炭覆蓋，厚度為 60～80mm 5）保溫爐液面高度控制。保溫爐內(nèi)銅液面距爐頂不小于 450mm 。具體參數(shù)見表2。

1.2均勻化退火工藝

錫磷青銅合金結(jié)晶溫度范圍較寬，其中低熔點(diǎn)的Sn和P元素?cái)U(kuò)散速度較慢，在合金凝固時(shí)易出現(xiàn)嚴(yán)重的反偏析現(xiàn)象。因此，在加工該類合金前，需要對(duì)其進(jìn)行均勻化退火處理，以改善合金元素的偏析情況。本試驗(yàn)對(duì)C5210合金鑄坯進(jìn)行均勻化退火處理的工藝參數(shù)見表3。

1.3加工工藝試驗(yàn)方案

由于帶材越薄，對(duì)軋程數(shù)、軋制率、精軋道次等方面的要求就高。因此，本研究以厚度為 0.045mm 的C5210合金帶材為試驗(yàn)對(duì)象，研究其加工工藝，以期為厚度在 0.045～0.100mm 范圍內(nèi)的超薄C5210帶材加工工藝提供參考。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)兩套方案。兩個(gè)方案的工序一致，主要區(qū)別在于粗軋開坯加工率、精軋加工率不同，以及由此導(dǎo)致的軋程數(shù)量不同，具體見表4。

2 主要工序分析與優(yōu)化

針對(duì)上述加工工藝進(jìn)行分析，并對(duì)其主要工序提出優(yōu)化措施。

2.1配料

行檢測，檢測所得的化學(xué)成分結(jié)果見表5。

對(duì)表1中兩種合金配料方案所鑄C5210壞料進(jìn)

根據(jù)表5可以看出，當(dāng)外購青銅舊料的添加比例為 40% 時(shí)，合金鑄坯各項(xiàng)化學(xué)成分指標(biāo)既符合國家標(biāo)準(zhǔn)，又符合企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)；當(dāng)添加比例為 50% 時(shí)，合金鑄坯化學(xué)成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)，但P元素含量超出企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。因此可以認(rèn)為，在C5210合金鑄壞生產(chǎn)時(shí)，原料中外購青銅舊料的添加比例不宜超過 50% ，否則會(huì)給合金化學(xué)成分控制帶來難度，繼而影響轉(zhuǎn)爐效率等。

2.2熔煉及鑄造

對(duì)外購青銅舊料添加比例分別為 40% 和 50% 的鑄坯進(jìn)行低倍和高倍組織觀察（見圖1），發(fā)現(xiàn)二者宏觀均呈現(xiàn)柱狀晶的特征，且晶粒之間大小差異均較大；微觀均呈現(xiàn)典型的樹枝晶偏析組織特征。即表明，二者鑄壞組織一致，這是鑄造工藝相同的結(jié)果。

2.3均勻化退火處理工藝

對(duì)外購青銅舊料添加比例分別為 40% 和 50% 的鑄壞進(jìn)行如表3所示的均勻化退火處理。處理后的低倍顯微組織（20X）和高倍顯微組織（100X）觀察結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，低倍顯微組織中柱狀晶已經(jīng)完全消除，晶粒之間的大小差異顯著降低，分布均勻；高倍顯微組織中，枝晶偏析已經(jīng)完全消除，均勻化退火充分完全。從均勻化退火處理后的結(jié)果來看，外購青銅回料占比 40% 和 50% 的鑄壞組織也基本沒有差異。因此，可以得出初步結(jié)論：當(dāng)外購青銅回料占投料比例不大于 50% 時(shí)（其本質(zhì)是回料中對(duì)晶粒大小有影響的雜質(zhì)元素含量被控制在一定范圍內(nèi)），其添加比例僅對(duì)C5210合金鑄壞化學(xué)成分有影響，對(duì)鑄壞組織影響很小或幾乎沒有影響。

2.4粗軋加工工藝

如前所述，本試驗(yàn)在開壞軋制階段，選擇有兩種粗軋開壞加工率：1）方案1，軋制率為 68.9% ，軋制到 4.50mm;2） 方案2，軋制率為 79.3% ，軋制到3.00mm 。分別對(duì)兩個(gè)方案粗軋開坯的金相組織進(jìn)行分析，如圖3所示。

由圖3可以看到，在經(jīng)過較大加工率的軋制后，晶粒的變形流線，且各晶粒之間由于取向不同而有著較為顯著的色差，但二圖并無明顯的組織差異。

經(jīng)過上述變形后的C5210合金帶壞進(jìn)行 440^°C× 6h 的中間退火，退火后帶壞金相組織如圖4所示。

退火后的金相組織顯示，加工態(tài)的組織變成了回復(fù)再結(jié)晶組織，晶粒細(xì)小均勻。但是粗軋采用方案1的帶材退火后，內(nèi)部存在較為粗大組織，明顯與周圍不同。而粗軋采用方案2的帶材退火后，內(nèi)部組織十分均勻，無異常組織。分析認(rèn)為，這可能是由于均勻化退火后的鑄壞組織晶粒粗大， 68.9% 的開壞加工率并沒有使全部的原始組織充分破碎，粗軋后存在一小部分破碎不完全的組織，經(jīng)退火后長大；而 79.3% 的開壞加工率可以使原始組織得到充分的破碎，晶粒變形均勻，因此退火后也呈現(xiàn)出較均勻的再結(jié)晶組織。

將上述經(jīng)過退火后的帶壞再次進(jìn)行粗軋，直至合金帶壞厚度達(dá)到 1.00mm ，再進(jìn)行 440^°C×6.0h 的中間退火。退火后的金相組織如圖5所示。經(jīng)兩種方案加工至 1.00mm 后的C5210合金退火性能對(duì)比見表6。

從表6中可知，兩種方案的性能結(jié)果接近。但綜合考慮前述組織金相對(duì)比結(jié)果，筆者認(rèn)為C5210合金帶材適合的粗軋工藝為方案2，即先以 79.3% 的軋制率粗軋開壞（軋制率為 79.3% ，軋至 3.00mm ，再經(jīng)中間退火（ ）后，再粗軋軋至 1.00mm ，再進(jìn)行2次中間退火（ （440^°C×6.0h ）。

2.5中軋加工工藝

經(jīng)過粗軋至 1.00mm 的帶坯，中軋至 0.50mm 。

軋制、退火后的金相組織如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，經(jīng)過 50% 的加工率后，晶粒被壓扁，呈現(xiàn)出明顯的加工流線，但依然能分辨出晶粒。由圖6（b）可以看出，退火后的晶粒細(xì)小均勻，經(jīng)過測量，大部分晶粒尺寸為 4.5～6.0μm 。 0.5mm 合金帶壞退火后力學(xué)性能檢測結(jié)果見表7。

由表7可知，延伸率作為衡量塑性的指標(biāo)，控制在 50%～60% 。據(jù)此，后續(xù)兩次退火之間的冷軋加工率控制在 50% 左右為宜。

2.6 0.045mm 加工工藝

針對(duì)目標(biāo)厚度規(guī)格為 0.045mm 的C5210合金，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了兩種精軋加工方案，具體見表4。二者主要區(qū)別在于，方案2每個(gè)軋程的冷軋加工率均大于方案1，且方案2比方案1減少了一個(gè)軋程，流程更短。兩種工藝方案留底材料退火組織分別見圖6。

由圖7可知，C5210合金按方案1加工至0.09mm后退火，獲得細(xì)小、均勻的回復(fù)再結(jié)晶組織，晶粒尺寸 lt;10μm ；按方案2加工至 0.10mm 后，退火組織為更加細(xì)小、均勻的等軸晶粒，晶粒尺寸 lt;5μm 檢測上述兩種方案退火后的留底C5210合金帶坯性能，具體結(jié)果見表8。

由表8可知，方案2留底帶坯抗拉強(qiáng)度和延伸率均優(yōu)于方案1，分析認(rèn)為這是退火組織差異在合金力學(xué)性能上的顯著表現(xiàn)。

按前述制定的精軋軋制工藝，對(duì)C5210合金帶壞進(jìn)行成品軋制。軋制后性能檢測結(jié)果見表9。

由表9可知，采用方案1軋制得到的 0.045mm C5210帶壞抗拉強(qiáng)度 gt;735MPa ，但表面硬度830MPa ，表面硬度gt;HV230。

3結(jié)論

綜上所述，針對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論。

1）厚度為 0.045mm 的C5210合金帶材的生產(chǎn)工藝流程如下：配料（外購舊料添加量 ?50% ） 熔煉鑄造 （1180^°C，155mm/min） 均勻化退火 （670^°C× 8.5h ，鐘罩式退火爐） 銑面 粗軋至 3.000mm （軋制率 79.3% ）→中間退火 中軋至1.000mm 切邊重纏 中間退火 （440^°C×6.0h） 中軋至 0.500mm 精軋（軋至 0.250mm ，軋制率50.0% ）一中間退火（ （700^°C×71m/min ，氣墊式退火爐） 精軋（軋至 0.100mm ） 留底退火（ 500^°C×100 m/min） 精軋（軋至 0.045mm）? 清洗 拉伸彎曲矯直 成品剪切。

2）研究表明，成品加工率（如精軋階段軋制率≥55% ）是影響SH態(tài)（硬態(tài)）C5210帶材力學(xué)性能的核心因素。當(dāng)加工率充足時(shí)，成品抗拉強(qiáng)度為 859MPa ，表面硬度為HV239.5，滿足高端應(yīng)用需求。

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