劉羽飛，胡斐斐，趙久輝

（江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

在銅及銅合金帶材中，錫磷青銅帶材由于具備良好的耐磨、耐蝕、易電鍍以及高彈性等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，主要用于電子信息行業(yè)中，如電視、電腦、汽車、手機(jī)中的耳機(jī)插孔、RF連接器、內(nèi)存卡槽和USB接口等[1-2］。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子信息產(chǎn)品中的零部件逐漸向復(fù)雜化、大電流化和小型化方向發(fā)展，同時對錫磷青銅合金帶材的要求也越來越高，需要更高的力學(xué)性能和更薄的厚度，因而近年來業(yè)內(nèi)對錫磷青銅開展了大量的研究[3-5］。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般采用水平連鑄的方式制備錫磷青銅鑄坯，因?yàn)樗竭B鑄制造的鑄坯厚度較薄，能縮短生產(chǎn)工藝流程，降低生產(chǎn)成本，還能減小使用占地面積。但水平連鑄制備的錫磷青銅鑄坯容易出現(xiàn)疏松、氣孔等缺陷，因而近年來水平連鑄制備錫磷青銅也有大量的研究[6-10］，主要研究改進(jìn)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、提高電磁攪拌技術(shù)、改進(jìn)水平連鑄拉鑄速度和鑄造溫度等，進(jìn)而減少水平連鑄坯的疏松、氣孔等缺陷以提高鑄坯質(zhì)量，從而增加后續(xù)錫磷青銅鑄坯軋制成帶材的成材率。除鑄坯質(zhì)量之外，錫磷青銅的晶粒組織和力學(xué)性能對錫磷青銅帶材的市場化應(yīng)用也至關(guān)重要，更高力學(xué)性能的錫磷青銅帶材可以用在更高端的零部件中，而更細(xì)小的晶粒組織能進(jìn)行更復(fù)雜的沖壓折彎[11］。

本文主要研究C5210錫磷青銅合金帶材制備過程中電磁攪拌技術(shù)、軋制工藝和退火制度對錫磷青銅帶材的晶粒組織、力學(xué)性能和折彎性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

本文主要采用了兩種不同的工藝制備C5210錫磷青銅合金帶材，該合金成分如表1所示，主成分為7.8%的Sn元素和0.15%的P元素，另外含有少量的Fe、Ni和Zn元素。制備厚度0.15mm的錫磷青銅合金帶材工藝一如圖1所示：水平連鑄制備厚度16mm的連鑄坯，連鑄坯銑面后在800℃保溫5h進(jìn)行均勻化處理，均勻化后粗軋開坯由14.5mm冷軋至2.5mm，后續(xù)經(jīng)過多道次冷軋和中間退火制備0.15mm的C5210合金帶材。工藝二與工藝一主要區(qū)別為：（1）水平連鑄時采用了電磁鑄造；（2）先進(jìn)行粗軋開坯再進(jìn)行均勻化處理；（3）退火制度不同，工藝一中鐘罩爐退火1、鐘罩爐退火2和鐘罩爐退火3的退火條件分別為560℃保溫6h、460℃保溫6h和440℃保溫6h，氣墊爐退火溫度為750℃，退火速度為70m/min；工藝二中退火溫度更低，鐘罩爐退火1、鐘罩爐退火2和鐘罩爐退火3的退火條件分別為480℃保溫6h、420℃保溫6h和400℃保溫6h，氣墊爐退火溫度為700℃，退火速度為70m/min。

表1 C5210錫磷青銅合金化學(xué)成分 %

圖1 制備厚度0.15mm的C5210錫磷青銅合金帶材工藝

兩種工藝制備C5210合金帶材通過線切割取得帶材金相、室溫拉伸和硬度試樣，觀察其金相組織，測試室溫拉伸性能和硬度。對兩種工藝制備0.15mm厚度的C5210合金進(jìn)行沖壓、折彎測試，觀察其折彎性能。

采用帶引伸計(jì)的DDL100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)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)自動記錄載荷、位移數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測量抗拉強(qiáng)度及延伸率。維氏硬度采用硬度測試儀器華銀200HVS-5數(shù)顯硬度計(jì)進(jìn)行測試，每次測量所加載荷為5 kg，加載時間為15 s，每個樣品至少測量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。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 兩種工藝對帶材質(zhì)量的影響

C5210合金在水平連鑄過程中易發(fā)生反偏析而在連鑄坯中出現(xiàn)疏松、氣孔等缺陷，在后續(xù)軋制過程中連鑄坯內(nèi)部的缺陷會逐漸出現(xiàn)在帶材表面，出現(xiàn)如圖2所示的疏松起皮、綠印、斷晶和裂邊等缺陷。相比于工藝一，工藝二在水平連鑄過程中引入了電磁鑄造技術(shù)，在C5210錫磷青銅熔鑄過程中增加了10～30A的電磁場，由于電磁場的攪拌作用使得C5210合金在熔鑄過程中各元素分布更均勻，從而減少了Sn元素的反偏析。圖3為兩種工藝下是否增加電磁鑄造技術(shù)制備的連鑄坯中Sn元素沿著厚度方向的分布圖，增加了電磁鑄造技術(shù)后Sn元素含量分布標(biāo)準(zhǔn)偏差由之前的1.42%降低為0.62%，顯著減少鑄坯內(nèi)部由于Sn反偏析而形成的疏松、氣孔缺陷，制備的帶材表面形成的如圖2所示的帶材缺陷同樣顯著減少。此外，工藝一是在均勻化后再進(jìn)行冷軋開坯，而工藝二是冷軋開坯后再進(jìn)行均勻化，相對于工藝一，工藝二能更好地消除連鑄坯料內(nèi)部一些缺陷，因?yàn)楣に嚩欣滠堥_坯后可以壓合一些疏松和氣孔之后再進(jìn)行均勻化時，由于發(fā)生再結(jié)晶這些氣孔和疏松可能發(fā)生愈合，從而進(jìn)一步改善連鑄坯料的質(zhì)量。

圖2 制備的錫磷青銅C5210合金帶材的表面缺陷

圖3 采用兩種工藝制備鑄坯中錫含量分布對比圖

表2為是否采用電磁鑄造技術(shù)制備C5210合金帶材各階段的合格率，在采用電磁鑄造技術(shù)后制料合格率由60.8%提高至62.5%，留底料合格率由81.13%提高至95.23%，成品合格率由76.9%提高至86.59%。同時采用電磁鑄造技術(shù)后石墨使用壽命由6天提高至10天。此外，是否采用電磁鑄造技術(shù)對鑄造后水平連鑄坯料晶粒組織影響較大，如圖4（a）所示，工藝一中未采用電磁鑄造技術(shù)制備的連鑄坯大多由100～500μm的近似等軸的晶粒組成，這些粗大晶粒之間分布著部分小于100μm的等軸晶粒。圖4(b)所示為工藝二采用電磁鑄造技術(shù)制備連鑄坯的金相組織，圖中晶粒尺寸明顯更小且晶粒大小更均勻，基本由100～200μm等軸晶粒組成。

表2 電磁鑄造與非電磁鑄造各階段合格率對比 %

圖4 采用兩種工藝水平連鑄的鑄坯表面晶粒組織

3.2 兩種工藝對帶材組織和性能的影響

圖5為工藝一和工藝二在鐘罩爐退火1中退火后的金相組織，表3為退火后的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度和延伸率、維氏硬度以及金相組織的晶粒度統(tǒng)計(jì)。采用工藝一退火后基本為等軸的再結(jié)晶晶粒，同時也形成少量的孿晶，平均晶粒尺寸為55μm左右。采用工藝二退火后也是完全再結(jié)晶組織，也形成了少量的孿晶，但晶粒尺寸明顯更小，其平均晶粒尺寸為28μm。在工藝一中經(jīng)過鐘罩爐退火1退火后的抗拉強(qiáng)度為360MPa，延伸率為66%，維氏硬度為84 N/mm2。在工藝二中經(jīng)過鐘罩爐退火1退火后的抗拉強(qiáng)度增加至410MPa，維氏硬度增加至95 N/mm2，延伸率為62%。

表3 兩種工藝下鐘罩爐退火1退火后的各項(xiàng)性能

圖5 兩種工藝下鐘罩爐退火1退火后的金相

圖6為工藝一和工藝二在氣墊爐退火后的金相組織，表4為氣墊爐退火后的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度和延伸率、維氏硬度以及金相組織中晶粒度的統(tǒng)計(jì)。工藝一退火后基本發(fā)生了完全再結(jié)晶，形成了平均晶粒尺寸為9μm左右的等軸晶粒，退火后抗拉強(qiáng)度為440MPa，延伸率為68%，維氏硬度為104 N/mm2。工藝二中退火后形成了晶粒尺寸更小的完全再結(jié)晶組織，平均晶粒尺寸為2.5μm左右，退火后抗拉強(qiáng)度增加至480MPa，延伸率為65%，維氏硬度為115 N/mm2。

圖6 兩種工藝下氣墊爐退火后的金相

表4 兩種工藝下氣墊爐退火后的各項(xiàng)性能

圖7為工藝一和工藝二在精軋后的金相組織，表5為精軋的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度和延伸率、維氏硬度以及金相晶粒度的統(tǒng)計(jì)。工藝一中精軋后和氣墊爐退火后的晶粒組織基本沒有差別，由平均晶粒尺寸為9μm左右的等軸晶粒組成，精軋后的抗拉強(qiáng)度為750MPa，延伸率為11%，維氏硬度為241 N/mm2。工藝二中精軋后和氣墊爐退火后的晶粒組織同樣沒有差別，由平均晶粒尺寸為2.5μm左右的等軸晶粒組成，精軋后抗拉強(qiáng)度為760MPa，延伸率為15%，維氏硬度為242 N/mm2。

表5 兩種工藝下精軋后的各項(xiàng)性能

圖7 兩種工藝下精軋后的金相

在鐘罩爐退火，氣墊爐退火以及精軋后，相對于工藝一，工藝二制備的C5210合金帶材的力學(xué)性能明顯更高，主要是因?yàn)樵诠に嚩?，晶粒組織中晶粒尺寸更小，通過晶界強(qiáng)化貢獻(xiàn)的強(qiáng)度更多。工藝二中晶粒尺寸更小主要是因?yàn)樵黾恿穗姶艛嚢韫に囀沟眠B鑄坯晶粒更小，以及工藝二中退火的溫度更低，晶粒再結(jié)晶后長大速度更慢。

3.3 兩種工藝對帶材的沖壓和折彎性能的影響

圖8為采用兩種工藝制備的0.15mm厚C5210合金帶材折彎后的表面形貌，折彎R/T=1，即折彎半徑R=1.5mm。采用工藝一制備的帶材折彎后表面出現(xiàn)明顯的裂紋，而采用工藝二制備的帶材折彎后表面光滑且未見折彎裂紋。

圖8 采用兩種工藝折彎后表面形貌

圖9為兩種工藝制備的0.15mm厚C5210合金帶材沖壓后在折彎位置的表面形貌，采用工藝一制備的帶材沖壓后表面出現(xiàn)明顯的裂紋，而采用工藝二制備的帶材表面未見裂紋。

圖9 采用兩種工藝沖壓后表面形貌

圖10為采用兩種工藝制備的0.15mm厚C5210合金帶材沖壓制備的零部件圖，采用工藝一制備的帶材沖壓后折彎位置出現(xiàn)明顯的裂紋，采用工藝二制備的帶材沖壓后在折彎處表面光滑，未見裂紋。

圖10 采用兩種工藝沖壓后的成品

兩種工藝制備的0.15mm厚C5210合金帶材折彎性能差別較大，采用工藝二制備的帶材折彎性能明顯更好，這主要是因?yàn)椴捎霉に嚩苽涞膸Р木Я＝M織更小，在折彎過程中有更多的晶粒能協(xié)調(diào)變形，變形均勻性更好。

4 結(jié)論

本文主要采用了兩種工藝制備厚度0.15mm的C5210合金帶材，工藝一是水平連鑄坯均勻化后進(jìn)行冷軋開坯軋制，后續(xù)經(jīng)過多道次冷軋和退火處理；工藝二是采用電磁攪拌鑄造技術(shù)進(jìn)行水平連鑄，在冷軋開坯軋制后進(jìn)行均勻化處理，后續(xù)再進(jìn)行多道次冷軋和退火處理，且退火溫度更低。此外，還得到以下結(jié)論：

（1）水平連鑄制備C5210合金時采用電磁鑄造技術(shù)使得連鑄坯晶粒尺寸由300μm左右減小至100μm左右。此外，增加電磁鑄造技術(shù)以及先冷軋開坯后均勻化處理的方式，顯著減少了后續(xù)軋制過程中出現(xiàn)疏松起皮、綠印、斷晶和裂紋等缺陷。

（2）采用工藝二制備的C5210合金帶材的晶粒尺寸更小，室溫拉伸強(qiáng)度和維氏硬度更高。相比于工藝一，工藝二在鐘罩爐退火1退火后晶粒尺寸由55μm減小至28μm，抗拉強(qiáng)度由360MPa升高至410MPa，維氏硬度由84 N/mm2提高至95 N/mm2；工藝二在氣墊爐退火后平均晶粒尺寸由9μm減小至2.5μm，抗拉強(qiáng)度由440MPa提高至480MPa，維氏硬度由104 N/mm2提高至115 N/mm2。

（3）采用工藝一制備的C5210合金帶材在折彎機(jī)和沖壓制備零件后均容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而采用工藝二制備的合金帶材在折彎沖壓制備各種帶材后不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。主要是因?yàn)椴捎霉に嚩苽涞暮辖饚Р木Я３叽绺?，協(xié)調(diào)變形的能力更好。