謝 鷺

(南昌大學 機電工程學院，江西南昌 330031）

導電彈性元件的連接器是電器終端之間連接與分離的功能元件，是電子器件的重要組成部分，其關(guān)鍵零件是接觸件，又稱接插元件，90%使用銅及銅合金，涉及的銅材品種中主要是高精度錫磷青銅帶材，它同時具備較高的導電、導熱性能和良好的物理性能。錫磷青銅通過Sn、P元素的合金強化作用及冷加工硬化可獲得較好的電學及力學機械性能，易加工沖制成各種復雜形狀的彈性元件。它不僅具有優(yōu)良的彈性性能，還具有耐腐蝕、耐磨、無磁性的特點，是目前銅基彈性合金材料中用量最大、用途最廣的彈性材料。錫磷青銅接插件產(chǎn)品狀態(tài)集中在H、EH和SH，目前從低錫C5110(Sn4%)到高錫C5210(Sn8%)的錫磷青銅都被大量應(yīng)用。

錫磷青銅板帶坯采用水平連鑄生產(chǎn)，由于Sn元素存在著宏觀的反偏析和微觀的枝晶偏析，使得材料塑形變形能力不均勻，變形時容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。因此，水平連鑄帶坯在開軋前，必須進行長時間均勻化退火，退火后枝晶偏析消失，鑄坯晶粒細化，改善帶坯的偏析和疏松，提高帶材的成品率。

錫磷青銅帶坯一般采用冷軋開坯，經(jīng)多次冷軋和中間退火后，制成不同厚度的帶材。由于錫磷青銅銅帶易發(fā)生加工硬化效應(yīng)，在冷加工生產(chǎn)過程中需進行多次中間退火，生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)成本高。本文以Cu-8Sn-0.3P合金為研究對象，研究不同退火工藝對Cu-8Sn-0.3P合金組織性能的影響。

1 實驗

1.1 合金成分

在《加工銅及銅合金牌號和化學成分》（GBT 5231-2012）中，Cu-8Sn-0.3P合金牌號中 Sn含量范圍比較寬，在7.0%～9.0%之間。本實驗擬選定市場上需求量大的合金品種作為研究對象。其主要合金元素檢測結(jié)果，見表1。

表1 Cu-8Sn-0.3P合金主要合金元素檢測結(jié)果 %

1.2 加工工藝及主要工藝參數(shù)

1）加工工藝。其工藝流程如下：配料—熔煉—水平連鑄—均勻化退火—銑面—冷粗軋—中間退火—留底軋制—留底退火—成品軋制—脫脂、清洗、鈍化處理—拉伸彎曲矯直—低溫退火—清洗、鈍化處理—質(zhì)量檢驗等。

2）水平鑄造參數(shù)。其重要參數(shù)如下：澆鑄溫度（1 180±10）℃，鑄造速度 159 mm/min，水壓 0.4 MPa，鑄坯出口溫度380℃。

1.3 主要試驗檢測設(shè)備

主要試驗檢測設(shè)備采用CMM-66Z光學顯微鏡，GDA 750輝光光譜儀，ARL-4460直讀光譜儀，Agilent ICP，AG-IC電子拉力試驗機，HXS-1000A數(shù)字式顯微硬度計，Axiovert 40 MAX金相顯微鏡。

2 不同退火工藝對合金組織的影響

2.1 均勻化退火工藝對組織的影響

1）均勻化退火溫度。在570～730℃之間對Cu-8Sn-0.3P鑄坯均勻化退火，退火時間為8 h。圖1為均勻化溫度對Cu-8Sn-0.5P鑄坯顯微組織的影響，圖2為均勻退火溫度對Sn元素分布的影響。

圖1 均勻化退火溫度對鑄坯顯微組織的影響

圖2 均勻化退火溫度對Sn元素分布的影響

由圖1可知，570℃×8 h退火合金依然為枝晶組織，600℃×8 h均勻化退火后就可消除枝晶組織，得到等軸晶粒。隨著退火溫度的升高，晶粒明顯長大，同時孿晶結(jié)構(gòu)愈加發(fā)達，在730℃時，晶界明顯粗化，表明溫度過高，引起晶界局部熔化。

由圖2可知，Cu-8Sn-0.3P鑄坯上下表面存在顯著的反偏析，均勻化退火可以減輕反偏析的程度，隨著退火溫度的升高，反偏析程度降低，但不能消除反偏析。

2）均勻化退火時間。實驗選擇在670℃下退火為8～24 h。圖3為均勻化退火時間對Sn元素分布的影響，圖4為均勻化退火時間對Cu-8Sn-0.3P鑄坯顯微組織的影響。

圖3 均勻化退火時間對Sn元素分布的影響

圖4 均勻化退火時間對Cu-8Sn-0.3P鑄坯顯微組織的影響

由圖3可知，Cu-8Sn-0.3P鑄坯上下表面存在顯著的反偏析，均勻化退火可以減輕反偏析的程度，隨著退火時間的延長，反偏析程度降低，但不能消除反偏析。

由圖4可知，經(jīng)退火8 h后，延長退火時間對Cu-8Sn-0.3P合金組織晶粒大小沒有明顯的影響。由于晶粒長大給軋制時各晶粒協(xié)調(diào)變形增加困難，孿晶結(jié)構(gòu)也會阻礙位錯的運動提高變形的阻力。

因此，均勻化溫度不宜過高，時間不宜過長[1]。對于合金均勻化工藝一般可以選擇在600～680℃、6～8 h，提高溫度可以適當縮短退火的時間。

2.2 中間退火（再結(jié)晶退火）工藝對組織性能的影響

Cu-8Sn-0.3P合金帶材冷軋過程都要進行中間退火，中間退火可以起到兩方面的作用，既可以消除加工硬化，又可以起到調(diào)節(jié)帶材晶粒大小的作用，從而調(diào)節(jié)帶材的性能[2]。中間退火的溫度對帶材的組織和性能有很大影響。溫度太低，軟化不充分，影響后續(xù)加工；溫度太高，晶粒發(fā)生長大，晶粒粗大，對帶材的力學性能產(chǎn)生不利影響。圖5為中間退火溫度對合金顯微組織的影響。該試樣經(jīng)80%變形率軋制至厚度 2.0 mm，中間退火（2 h）后軋制至 0.4 mm，最后經(jīng)200℃（90 min）低溫退火。中間退火溫度對Cu-8Sn-0.3P帶材性能的影響如圖6所示。

圖5 中間退火溫度對Cu-8Sn-0.3P合金顯微組織的影響×200

圖6 中間退火溫度對Cu-8Sn-0.3P帶材性能的影響

由圖5可知，經(jīng)450℃×2 h退火后再結(jié)晶比較完全。隨著退火溫度的升高，由于晶粒顯著長大。晶粒長大影響后續(xù)軋制時晶粒變形的協(xié)調(diào)性，因此中間退火溫度不宜過高，應(yīng)該控制在550℃左右。

由圖6中可知，隨著中間退火溫度的升高，Cu-8Sn-0.3P帶材的強度和硬度降低，塑性(延伸率)先升高，后降低，原因是溫度過高，晶粒粗大，變形協(xié)調(diào)困難，導致塑性降低。比較理想的中間退火溫度應(yīng)控制在 500～550 ℃(2 h)。

2.3 低溫退火工藝對組織性能的影響

Cu-8Sn-0.3P是一種低溫退火型合金，經(jīng)低溫處理后，其硬度、抗拉強度略低于處理前，但延伸率明顯提高，同時疲勞強度和彈性性能也可以得到改善[3]。對經(jīng)二次中間退火軋制后的Cu-8Sn-0.3P帶材進行了低溫退火實驗，分別測試了160～240℃區(qū)間退火溫度對帶材硬度的影響。另外還研究了在220℃退火時間對帶材力學性能的影響。圖7為低溫退火溫度對Cu-8Sn-0.3P帶材金相組織的影響，圖8為低溫退火對Cu-8Sn-0.3P合金性能的影響。

圖7 低溫退火溫度對Cu-8Sn-0.3P合金帶材金相組織的影響

圖8 低溫退火對合金性能的影響

由圖7可知，低溫退火對合金的顯微組織沒有明顯的影響。

由圖8可知，隨著退火溫度的升高，Cu-8Sn-0.3P合金的硬度下降。隨著退火時間的延長，開始硬度下降比較快，超過90 min后，硬度下降很慢，基本保持平穩(wěn)。合金退火前，延伸率在4%左右，220℃退火，超過60 min，帶材的延伸率可達到10%以上。低溫退火工藝可以根據(jù)產(chǎn)品性能要求，在一定的溫度范圍內(nèi)進行選擇。

3 結(jié)論

1）合金均勻化工藝一般可以選擇在600～680℃、（6～8 h），提高溫度可適當縮短退火時間。

2）比較理想的中間退火溫度應(yīng)控制在500～550℃(2 h)。

3）退火前，Cu-8Sn-0.3P合金延伸率在4%左右，經(jīng)低溫退火（220℃），超過60 min，帶材的延伸率可達到10%以上。低溫退火工藝可以根據(jù)最終產(chǎn)品性能要求，在一定的溫度范圍內(nèi)進行選擇。