聶艷春，劉羽飛，胡斐斐，梅偉，王松偉

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西 南昌 330000；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

隨著全球電子行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電子元器件的功能和性能都提出了越來(lái)越高的要求，銅及銅合金帶材作為制作電子元器件的關(guān)鍵材料受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究［1-4］。C5071 銅合金帶材相比紫銅帶材具有更好的耐疲勞性能，比錫磷青銅帶材更好的導(dǎo)電性能，是制作電子元器件的理想材料，被廣泛應(yīng)用于制造CPU 插槽、汽車電控器件端子、電子連接器、電器接插件等［5-8］。

目前，國(guó)內(nèi)銅板帶企業(yè)生產(chǎn)的C5071銅合金帶材以0.5 mm 半硬態(tài)為主，所用的氣墊爐留底退火溫度大多為700 ℃，與常規(guī)紫銅和錫磷青銅600 ℃的留底退火溫度不匹配，氣墊爐生產(chǎn)時(shí)需要頻繁的升溫、降溫，嚴(yán)重影響氣墊爐的生產(chǎn)組織和生產(chǎn)效率，因此有必要研究其600 ℃的留底退火工藝［9］，提高0.5 mm 半硬態(tài)C5071銅合金帶材的生產(chǎn)效率。0.5 mm 半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的力學(xué)性能和電導(dǎo)率要求見(jiàn)表1。

表1 0.5 mm半硬態(tài)C5071銅合金帶材的力學(xué)性能和電導(dǎo)率Table 1 Mechanical properties and electrical conductivity of 0.5 mm semi-hard C5071 copper alloy strip

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 C5071銅合金鑄坯的制備

C5071 銅合金的鑄造設(shè)備采用的是山東泰達(dá)生產(chǎn)的雙流水平連鑄爐，鑄造方法為水平連鑄法［10-14］，鑄坯尺寸為16 mm×440 mm×100000 mm。熔煉鑄造工藝是影響水平連鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵，因此在鑄造工藝方面采用了一套成熟穩(wěn)定的熔鑄工藝，以確保C5071 銅合金鑄坯的質(zhì)量，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 水平連鑄法生產(chǎn)C5071銅合金鑄坯的工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of producing C5071 copper alloy billet by horizontal continuous casting

為保證鑄坯的成分含量符合國(guó)標(biāo)要求，從保溫爐中取樣進(jìn)行成分檢測(cè)。圖1 分別為保溫爐鑄坯樣品圖和使用全譜直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測(cè)的實(shí)景圖，鑄坯成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 （a）水平連鑄保溫爐樣品；（b）C5071鑄坯成分檢測(cè)實(shí)景Fig.1 （a）Sample of horizontal continuous casting holding furnace；（b）Component detection of C5071 billet

表3 C5071鑄坯成分檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of composition of C5071 billet（%，mass fraction）

圖2（a，b）為C5071 水平連鑄坯的拉鑄實(shí)景圖和鑄坯截面的金相組織，其中RD、TD 和ND 分別代表鑄坯的長(zhǎng)度方向、寬度方向和厚度方向。從圖2（b）可見(jiàn)，C5071鑄坯的金相組織為典型的柱狀晶組織［15］，其上表面晶粒較細(xì)，柱狀晶生長(zhǎng)區(qū)較窄，而下表面晶粒尺寸較大，柱狀晶生長(zhǎng)區(qū)較寬，這是由于水的重力作用導(dǎo)致結(jié)晶器上模板的冷卻能力強(qiáng)于下模板，因而鑄坯上表面的形核率較高，晶粒較細(xì)小。由于后續(xù)工藝中粗軋開(kāi)坯的加工率達(dá)到86%，鑄坯的晶粒被充分破碎，其上、下表面的組織差異性得以消除，對(duì)成品的力學(xué)性能及電導(dǎo)率均無(wú)影響。

圖2 （a）C5071水平連鑄坯拉鑄實(shí)景和（b）鑄坯截面金相組織Fig.2 （a）C5071 horizontal continuous casting billet and（b）metallographic structure of billet section

1.2 C5071銅合金粗軋-中間退火工藝

銅合金帶材的組織和性能主要是通過(guò)控制留底工藝獲得，因此0.5 mm 半硬態(tài)C5071 帶材在粗軋-中間退火工藝上采用常規(guī)青銅的工藝［16-17］，具體工藝如表4所示。

表4 C5071銅合金帶材粗軋-中間退火工藝Table 4 Rough rolling-intermediate annealing process of C5071 Copper alloy strip

為了確認(rèn)粗軋-中間退火工藝的合理性，對(duì)其組織進(jìn)行金相分析。圖3（a，b）為2.0 mm C5071 銅合金軋制態(tài)和退火態(tài)的金相組織。由圖3（a）可見(jiàn)，C5071 鑄坯經(jīng)粗軋軋制后鑄態(tài)晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，形成了方向性明顯的纖維組織。由圖3（b）可見(jiàn)，經(jīng)鐘罩爐退火后，粗軋軋制形成的纖維組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的再結(jié)晶組織，晶粒尺寸約為10 μm，說(shuō)明2.0 mm C5071軋制態(tài)組織經(jīng)過(guò)鐘罩爐退火后發(fā)生了完全的再結(jié)晶。

圖3 2.0 mm C5071銅合金（a）軋制態(tài)和（b）退火態(tài)金相組織Fig.3 Metallographic of structure 2.0 mm C5071 copper alloy as（a）rolled and（b）annealed

對(duì)退火態(tài)樣品進(jìn)行力學(xué)性能和電導(dǎo)率測(cè)試。硬度測(cè)試采用日本恒一公司生產(chǎn)的FV-700 維氏硬度計(jì)；抗拉強(qiáng)度和延伸率測(cè)試采用日本島津公司生產(chǎn)的AG-500 KN 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)；電導(dǎo)率測(cè)試采用德國(guó)Linseis 公司生產(chǎn)的LSR3 電阻系數(shù)分析儀。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 C5071退火態(tài)樣品的力學(xué)性能和電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of mechanical properties and conductivity of C5071 annealed samples

1.3 C5071銅合金冷軋加工率曲線

制定0.5 mm 半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的留底工藝之前，需繪制C5071 銅合金的冷軋加工率曲線。

采用西 重所生產(chǎn)的Φ230 mm/Φ600 mm×600 mm 四輥可逆中軋機(jī)將2.0 mm 退火態(tài)帶材分別軋至1.8，1.6，1.4，1.2，1.0，0.8，0.6 mm，對(duì)應(yīng)的冷軋加工率分別為10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，冷軋加工率的計(jì)算公式如式（1）。

式中，ε為冷軋加工率，d為軋制前厚度，d0為軋制后厚度。

取每個(gè)冷軋加工率對(duì)應(yīng)的樣品檢測(cè)其維氏硬度，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制C5071銅合金的冷軋加工率曲線，如圖4所示。

圖4 C5071銅合金的冷軋加工率曲線Fig.4 Cold rolling rate curve of C5071 copper alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 留底厚度的確定

為了使0.5 mm 半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的力學(xué)性能最大程度地滿足要求，采取中間值控制的方法，將硬度控制在HV160.5。根據(jù)C5071 銅合金的冷軋加工率曲線，硬度HV160.5對(duì)應(yīng)的冷軋加工率約為26%，因此完成氣墊爐留底退火后，成品軋制的冷軋加工率必須在26%左右，這樣才能使帶材的硬度控制在中間值，換算得出留底厚度為0.68 mm，故采用中軋成熟的工藝道次分配（2.0—1.3—1.05—0.88—0.76—0.68 mm）來(lái)完成留底軋制。

2.2 氣墊爐退火工藝的確定

留底軋制后，按照工藝規(guī)程進(jìn)行退火。退火設(shè)備采用的是德國(guó)容克公司生產(chǎn)的氣墊式退火爐，如圖5 所示，設(shè)備的最高退火溫度為800 ℃，最大速度為100 m/min，允許退火的帶材厚度為0.05～1.2 mm。

圖5 德國(guó)容克氣墊式退火爐Fig.5 Germany junker air cushion annealing furnace

對(duì)于氣墊式退火爐而言，影響材料退火后性能的主要因素是退火溫度和退火速度［18-19］。0.5 mm半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的留底退火溫度設(shè)定為600 ℃，設(shè)置了20，40，60 m/min3 個(gè)退火速度進(jìn)行試驗(yàn)，分別取退火后的帶材進(jìn)行金相觀察，觀察結(jié)果如圖6所示。從圖6（a，b）可見(jiàn)，金相組織的晶界明顯且晶粒細(xì)小均勻，部分區(qū)域還可以觀察到退火孿晶的存在，其中圖6（a）的晶粒尺寸比圖6（b）的略大，說(shuō)明帶材在氣墊爐600 ℃，20 m/min 和600 ℃，40 m/min 兩種退火工藝條件下均發(fā)生了再結(jié)晶，且在氣墊爐600 ℃，20 m/min 的退火工藝條件下晶粒發(fā)生了一定程度的長(zhǎng)大。從圖6（c）可見(jiàn)，晶相仍然保留著軋制狀態(tài)下的纖維組織，晶界不清晰，說(shuō)明其在氣墊爐600℃，60 m/min 的退火工藝條件下未發(fā)生再結(jié)晶或再結(jié)晶不充分。

圖6 C5071銅合金帶材在不同退火速度下的金相組織Fig.6 Metallographic structure of C5071 copper alloy strip after annealing at different annealing speeds（a）20 m/min；（b）40 m/min；（c）60 m/min

為了進(jìn)一步確定帶材在氣墊爐不同退火工藝下達(dá)到的效果，分別取樣并測(cè)試了其硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，結(jié)果見(jiàn)表6。測(cè)試數(shù)據(jù)與金相組織的分析結(jié)果基本吻合，且?guī)Р脑跉鈮|爐中以600 ℃，40 m/min的退火工藝條件退火后，其硬度值與前述鐘罩爐退火的硬度值非常接近，因此0.5 mm 半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的氣墊爐留底退火工藝應(yīng)采用退火溫度600 ℃、退火速度40 m/min。

表6 C5071銅合金帶材在不同退火速度下的力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of C5071 copper alloy strip at different annealing speeds

2.3 成品軋制

成品軋制設(shè)備采用的是美國(guó)I2S公司生產(chǎn)的二十輥精軋機(jī)，可生產(chǎn)厚度0.05～1.0 mm的帶材，厚度控制誤差為8 μm，最大軋制速度能達(dá)到600 m/min。0.5 mm 半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的成品軋制工藝為0.68 mm-0.5 mm，按照工藝規(guī)程完成成品軋制后，取樣測(cè)試其硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、電導(dǎo)率，結(jié)果見(jiàn)表7，可見(jiàn)其各項(xiàng)性能均滿足要求，說(shuō)明整套工藝流程可生產(chǎn)出合格的0.5 mm 半硬態(tài)C5071銅合金帶材。

表7 0.5 mm半硬態(tài)C5071帶材成品力學(xué)性能和電導(dǎo)率Table 7 Mechanical properties and conductivity of 0.5 mm semi-hard C5071 finished product

3 結(jié)論

由于水的重力作用導(dǎo)致結(jié)晶器上模板的冷卻能力強(qiáng)于下模板，因此水平連鑄法生產(chǎn)的C5071鑄坯金相組織表現(xiàn)為：上表面晶粒較細(xì)，柱狀晶生長(zhǎng)區(qū)較窄；下表面晶粒尺寸較大，柱狀晶生長(zhǎng)區(qū)較寬。

通過(guò)繪制C5071銅合金的冷軋加工率曲線，確定了0.5 mm 半硬態(tài)C5071 銅合金帶材的留底厚度為0.68 mm，可以將成品帶材的硬度控制在中間值，最大程度地滿足性能要求。

通過(guò)分析C5071 銅合金帶材在氣墊爐溫度600 ℃下分別以20，40，60 m/min3種退火速度退火后的金相組織，發(fā)現(xiàn)在氣墊爐600 ℃ 和40 m/min的退火工藝下退火后，材料發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，晶粒細(xì)小而均勻，同時(shí)結(jié)合其性能測(cè)試結(jié)果，確定退火溫度600 ℃、退火速度40 m/min為0.5 mm半硬態(tài)C5071銅合金帶材最佳的氣墊爐留底退火工藝。

使用美國(guó)I2S 公司生產(chǎn)的二十輥精軋機(jī)進(jìn)行成品軋制，最終獲得了性能符合預(yù)期且滿足要求的0.5 mm半硬態(tài)C5071銅合金帶材。