近年来,随着全球电子工业的快速发展,特别是在不断成长的新兴市场中,电子、通讯、电器和电气等产品的元器件越来越小型而且密集化,要求提供的铜带材厚度更薄、力学性能更好.高强高弹性的铜合金首推铜铍合金,但铍元素有剧毒,在其熔炼、锯切、酸洗过程中可以产生微量含铍粉尘和铍离子,被人体吸收后可使人致癌,环境污染十分严重,而且铜铍合金材料的价格昂贵.因此,从环保和成本考虑,需要寻找一种高强高弹、无毒的铜合金来取代有毒的铜铍合金^{[1, 2]}.锡磷青铜具有高的强度,优良的弹性,耐蚀、耐磨、抗磁,易钎焊、电镀,以及良好的加工性能,是目前应用最广泛、最经济的弹性铜合金材料.被广泛用于制作各种接插件、连接件、继电器、接触器、导线端子、触头和弹簧等元器件,用作铍铜合金的替代品.然而由于锡青铜锡含量高,易产生枝晶偏析,同时硬质颗粒元素P、Ni、Pb的含量比较高,导致其热脆性较大,用铸锭热轧开坯的方式进行生产存在一定的困难^[3].锡磷青铜带材,必须性能均匀、高表面质量和高尺寸精度.带材的公差精度、力学性能、表面质量和板型平直度不仅在一卷铜带中,在一整批产品中也要求达到均匀一致和高的质量^[4].因此研究C5210铜合金带材组织与性能对实际工业化生产有一定意义.

试验材料以C5210铜合金为研究对象,主要合金成分见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 合金主要成分的质量分数 Tab. 1 Composition of the alloy % 元素 Sn P Cu 质量分数 7～8 0.03～0.35 余量

表 1 合金主要成分的质量分数 Tab. 1 Composition of the alloy

日本生田公司四面铣机;德国弗洛林20辊轧机;德国赫克力斯轧辊磨床,主要配备20辊轧机专用;德国容克展开式气垫炉;德国B+S拉弯矫直机;WDW3200型电子万能拉伸试验机;德国产蔡司AxioskopII型金相显微镜;XL30W型扫描电子显微镜.

图 1是合金横断面组织和表面组织照片.其中图 1(a)和(b)分别是结晶线正常和向下偏移的横断面宏观组织,可以看出横断面晶粒组织以柱状晶为主,晶粒从合金铸锭的上下表面逐渐向内生长,在中心线位置相交汇接触.从图 1(b)中可以看出,它具有较少的等柱晶粒,结晶线向下偏移大约3 mm.推断这是因为上下表面冷却速度不一致,导致合金结晶速度不均匀.当上表面冷却速度大于下表面时,结晶线会下移;反之,结晶线将上移.图 1(c)是合金典型的表面宏观组织.晶粒排列具有一定夹角,但接近平行.这是由于结晶由水平连铸典型的“拉—停—推—停”工艺所产生的.

图 1

Fig. 1

图 1 合金铸锭宏观组织照片 Fig. 1 Macrostructure of the alloy ingot

试验表明,结晶的上、下移动都会影响合金的宏观组织特点,进而影响铸锭后续的轧制工艺,这是因为铸锭晶粒度的大小以及均匀性对合金不同部位的性能影响较大.当铸锭晶粒度不同,且铸锭上下表面的结晶情况不均匀时轧制,铸锭的各部位在相同的变形力下将产生不均匀变形.这会引起附加应力的产生,进而在合金内部产生肉眼很难辨别的微观缺陷.而试验过程中,合金要经过反复的轧制和退火处理,由于结晶线的上或下的偏移,下或上表面将会形成很多发达的柱状晶或粗大的晶粒.合金在均匀化退火铣面后,结晶线偏离一侧的较大柱状晶粒将会裸露在板材的表面,在轧制打卷过程中其外表面将承受反复的拉应力.随着拉应力的不断增加,当超过C5210铜合金的断裂强度后,容易在合金的晶界处产生微裂纹.进一步的折叠弯曲,微裂纹将扩展增生最终产生裂纹,致使合金带材断裂.因此,合金铸锭晶粒的均匀性是保证合金后续加工和产品成品率的关键.

试验表明:结晶角小于15°,水平连铸速度控制在10.8 m/h左右,带坯晶粒度均匀,结晶线不发生明显偏移,有利于C5210铜合金铸锭的冷轧开坯.

图 2是C5210铜合金水平连铸铸锭试样不同部位的金相组织照片.

图 2

Fig. 2

图 2 合金水平连铸铸态金相照片 Fig. 2 Cast metallograph in alloy horizontal continuous casting

由图 2可以看出,无论合金铸锭的边部或中心部位,都存在严重的枝晶偏析,组织为单相树枝状枝晶组织.显微组织为α+(α+δ)的共析体组织.由图 2(c)和图 2(d)可以看出,合金枝晶之间分布有块状的富Sn相.对比图 2(a)边部和图 2(c)中心部位试样组织可以看出,边部树枝状枝晶略小于中心部位组织,中心部位试样组织略有缩孔.

试验表明:结晶角小于15°,水平连铸速度控制在19.2 m/h左右,带坯晶粒度均匀,结晶线不发生明显偏移,有利于C5210铜合金铸锭的冷轧开坯.铸锭显微组织具有严重的枝晶偏析,进行冷轧前要进行长时间的均匀化退火处理.

图 3是合金在钟罩炉内经6 h升温至650 ℃,保温9 h,均匀化退火处理后的金相照片.

图 3

Fig. 3

图 3 合金经650 ℃均匀化处理后的金相组织照片 Fig. 3 Microstructure after 650 ℃ homogenization treatment

图 3(a)和图 3(b)分别是水平连铸铸锭的中部和边部试样组织.均匀化退火过程中在炉内通入氢气和氮气作为保护气体.这是因为氢气重量轻,渗透能力强,可以渗入带卷层间,充分发挥导热系数大的特点,提高气层内气体的导热系数,可以显著提高径向传热速度,从而缩短加热时间,减少带卷内外温差径向传热量与轴向传热量之比,提高炉温均匀性,使得料卷性能更均匀;强还原性的H₂与带材表面残留的轧制油、氧化物反应,可生成水蒸汽,带材表面质量提高,可减少后续工序酸洗的酸用量或取消酸洗工序.

从图 3中可以看出,铸态下合金中的严重枝晶偏析已经完全消除.图 3(a)和图 3(b)两者的晶粒大小相似.这是由于采用钟罩炉退火,合金的各部分受热均匀.且在650 ℃高温均匀化退火温度下,锡元素在铜基体中的溶解度不断增加,原子扩散速度更快,扩散系数也增加,从而加快了原子的移动速度,减轻了铸锭的偏析.理论上温度越高原子扩散越快,但过高的温度会使合金晶粒过分长大,不均匀性增加.晶粒的粗大将会影响合金的冷轧工艺,易出现裂纹等缺陷.

从图 3中还可以发现,大的晶粒即为基体α相.而晶粒上分布了许多黑色的点状物,经分析测定为Cu₃P相,该相易引起催化.而经过均匀化处理后发现,该化合物均匀分布在合金基体中,因此合金能够进行冷轧开坯.为证明均匀化后合金各元素的均匀分布情况,对试样局部进行了面扫描分析,如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 合金局部面扫描 Fig. 4 Local scaning of alloy

由图 4可以看出,在钟罩炉中经650 ℃长时间均匀化退火后,合金中的铜和锡元素分布相对已均匀.在实际生产中,经铣面可以从13.5 mm轧到2.5 mm,粗轧冷轧加工率可达80 %以上,且板材表面质量完好.

综上可知,C5210铜合金在钟罩炉内经6 h升温至650 ℃,保温9 h,合金元素分布相对均匀,粗轧冷轧加工率可达80 %以上.

图 5是厚度为14.5 mm的C5210铜合金铸锭经均匀化处理(14.5 mm)铣面(13 mm)粗轧(2.5 mm)后的金相组织照片.图 6是粗轧后合金在不同温度中间退火后的金相组织照片.其中各均匀化温度下均采用升温5 h、保温6 h的工艺参数.图 7为C5210铜合金经560 ℃再结晶退火后合金的抗拉强度、伸长率和硬度动极差控制图.

图 5

Fig. 5

图 5 合金粗轧后金相照片 Fig. 5 Metallograph after cold rolling

图 6

Fig. 6

图 6 合金经不同温度中间退火(再结晶)后的金相照片 Fig. 6 Metallograph after intermediate annealing at different temperatures

图 7

Fig. 7

图 7 合金经560 ℃再结晶退火后的性能分析 Fig. 7 Performance analysis of recrystallization annealing at 560 ℃

由图 5可以看出,冷轧后合金晶粒被拉长,出现典型的纤维状组织.这是因为在加工率较大的冷轧变形过程中,合金晶粒、杂质和第二相沿金属的主变形方向被拉长成纤维状组织.这个过程中合金内部的缺陷(气孔、疏松等)也会发生类似变形.纤维状组织的形成引起带材性能的变化,如使纤维组织与所加载荷的作用面相互垂直,可以改善制品的受力情况,有利于强度的提高.

图 7为C5210铜合金经560 ℃再结晶退火后合金的抗拉强度、伸长率和硬度动极差控制图.可以看出合金经退火后其平均抗拉强度为411.9 MPa,平均伸长率为60.9 %,平均维氏硬度为94.7.

试验表明,合金经560 ℃升温5 h、保温6 h再结晶退火后,硬度和抗拉强度均有所下降,合金晶粒度为0.04 mm,消除了加工硬化,适合后续冷轧变形.

(1) 结晶角小于15°,水平连铸速度控制在10.8 m/h左右,带坯晶粒度均匀,结晶线不发生明显偏移,有利于C5210铜合金铸锭的冷轧开坯.

(2) C5210铜合金在钟罩炉内经6 h升温至650 ℃,保温9 h,合金元素分布相对均匀,粗轧冷轧加工率可达80%以上.

(3) 合金经560 ℃升温5 h、保温6 h再结晶退火后,合金硬度和抗拉强度均有所下降,合金晶粒度为0.04 mm,消除了加工硬化,适合后续冷轧变形.此时合金的平均抗拉强度为411.9 MPa,平均伸长率为60.9%,平均维氏硬度为94.7.