NB109合金銅帶新型制備工藝研究

馮　衛,　劉欽雷

(寧波金田銅業(集團)有限公司, 浙江 寧波　315034)

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馮衛,劉欽雷

(寧波金田銅業(集團)有限公司, 浙江 寧波315034)

借助DMIRM金相顯微鏡、CMT5504微機控制萬能試驗機和HVS-10數顯維氏硬度計等設備,研究了NB-109合金的鑄態、加工態及退火態的組織、力學性能及其變化規律.鑄態金相組織顯示幾乎全為α相,為選擇冷軋開坯的加工工藝提供了必要的前提條件;為了破壞鑄態組織、消除形變織構,獲得具有理想組織的成品帶材,必須同時具備足夠大的冷加工率(約90%)、配合恰當的中間退火溫度制度,這是研究的重中之重.根據該材料的特性制備出了具有優異性能的NB-109合金銅帶,成功開發出了一種基本與錫磷青銅相同且性能優于錫磷青銅的NB-109合金銅帶制備工藝.

NB-109合金銅帶; 接插件; 應力松弛; 制備工藝

錫磷青銅是常用的彈性合金,具有耐蝕、耐磨、無磁性以及優良的彈性性能等特點,還具有較高的伸長率,易于加工沖制成各種復雜形狀的彈性元件,是銅基彈性合金材料中用量最大、用途最廣的彈性材料.但是常用錫磷青銅的成分配比中,錫的質量分數一般為4%～9%,磷的質量分數為0.1%～0.2%.這樣的配比導致錫磷青銅材料的成本較高且導電率較低,導電率僅為11～19 %IACS,無法滿足高端接插件高抗應力松弛、高導電率以及低焦耳熱的要求[1-5].NB-109合金銅帶作為汽車連接器、接線端子材料已被廣泛應用,但是NB-109合金銅帶作為接插件材料卻鮮見報道.研究[6-7]表明:NB-109合金的成本、導電率和抗應力松弛等特性均優于被廣泛使用的錫磷青銅.NB-109合金具備錫磷青銅優點的同時具有更高的導電率和抗應力松弛特性.由成分可知,NB-109合金中錫含量較少,其質量分數約為1%,該合金的成本優勢不言而喻.另NB-109合金銅帶的傳統工藝為熱軋開坯,所需設備復雜,生產成本高,因此NB-109合金銅帶的新型制備工藝應運而生.

1　試　驗

NB-109合金為Cu-Ni-Sn-P四元低合金化銅合金,以用于0.5 mm厚接插件銅帶成品為例介紹其制備工藝.該合金采用工頻爐進行熔煉和鑄造,水平連鑄牽引至16.5 mm厚板坯,銑面后約以90%的加工率冷軋至1.7 mm,中間退火酸洗繼續冷軋至留底,留底退火酸洗后軋至0.5 mm.低溫退火后,材料的綜合性能有較大的提升[7-8],故經低溫退火出成品.試驗所用原材料:T2電解板、鎳板、錫錠和銅磷合金.鑄坯的成分如表1所示.

表1　16.5 mm厚NB-109合金的鑄坯成分Tab.1　Composition of NB-109 alloy casting blank with its thickness 16.5 mm　%

2　試驗結果及分析

2.116.5 mm鑄坯組織的分析

由表1材料的成分結合相圖可知材料的組織為α相固溶體.從圖1金相照片中可以看出,鑄態的基體組織為結晶度不完整的α相固溶體及鑲嵌其間的第二相枝晶組織.相對于錫磷青銅組織狀態及加工工藝[9-12],該組織適合冷加工,為冷軋開坯進行必要的組織準備.

圖1　鑄態合金金相組織照片Fig.1　OM images of the as-cast alloy

2.2中間退火溫度對材料組織及性能的影響

鑄坯16.5 mm銑面冷軋至1.7 mm,隨后分別進行530 ℃×4 h、580 ℃×4 h、620 ℃×4 h和650 ℃×4 h中間退火,研究不同退火溫度對試樣強度、硬度及金相組織的影響.

由圖2可知,鑄坯經冷軋后,大塊鑄態晶粒及枝晶組織均被大加工率軋制碾碎,形成具有與軋制方向基本相一致的織構組織.520 ℃退火時,織構組織有明顯的消除跡象;隨溫度提高至580 ℃時,形變織構的痕跡仍然依稀可見;當溫度提高至620 ℃時,形變織構基本消除;當溫度繼續升至650 ℃時,形變織構已消失,晶粒長大并粗化.

從圖2中的金相組織并結合圖3、圖4中的力學性能數據可知,530 ℃退火后材料的力學性能較硬態雖有很大程度的回復與再結晶,但是基體織構組織依然清晰可見;580 ℃退火后材料的力學性能較530 ℃退火的相差不大,基體織構取向性較530 ℃退火時有所減弱;隨著退火溫度提高至620 ℃和650 ℃,材料強度進一步降低,硬度已降至與鑄態(維氏硬度90)相當,伸長率有較大幅度提升,織構消除.綜合來講,退火溫度在620 ℃時獲得的材料,其組織和性能最佳.

圖2　不同退火溫度下顯微組織照片Fig.2　Microstructures in different annealing temperatures

由文獻[13-17]可知,要獲得理想組織與性能的成品,加工工藝是關鍵.故本文研究的重點是冷軋開坯加工率與退火溫度的合理配合,消除鑄態組織、冷軋織構,同時也為成品組織、性能以及成品軋制準備良好的組織狀態.

2.30.5 mm厚NB-109合金銅帶成品的性能

將1.7 mm厚銅帶620 ℃退火后,分別冷軋至留底0.7 mm和0.8 mm,隨即進行480 ℃退火,酸洗后分別以28.6%和37.5%的留底加工率軋至0.5 mm,經300 ℃低溫退火出成品.同等條件下測得成品0.5 mm厚銅帶的各項性能指標見表2.表2顯示留底加工率對NB-109合金銅帶的力學性能影響較大,而對物理性能如彈性模量、導電率和應力松弛率影響較小.目前接插件普遍采用的是QSn6.5-0.1的0.5 mm錫磷青銅普帶.由表2可知,NB-109合金作為接插件材料的關鍵性能如彈性模量、應力松弛率和導電率明顯優于錫磷青銅,可見該合金作為接插件取代錫磷青銅普帶的優越性不言而喻.

圖3　退火溫度對抗拉、屈服強度的影響Fig.3　Tensile and yield strength in different annealing temperatures

圖4　退火溫度對硬度、伸長率的影響Fig.4　Hardness and elongation in different annealing temperatures

表2　0.5 mm厚銅帶關鍵性能指標Tab.2　Key performance of copper strip with its thickness 0.5 mm

3　結　論

(1) 成功開發出了一種NB-109合金銅帶的新型制備工藝.

(2) 消除鑄態組織的最佳中間退火溫度是620 ℃.

(3) 制備的0.5 mm厚NB-109合金銅帶性能明顯優于QSn6.5-0.1錫磷青銅.

[1]傅祖鑄.有色金屬板帶材生產[M].長沙:中南大學出版社,2000.

[2]趙秀娟.最終退火后的晶粒尺寸對錫青銅波紋管滯彈性的影響[J].大連鐵道學院學報,1992,3(13):122-124.

[3]田榮璋,王祝堂.銅合金及加工手冊[M].長沙:中南大學出版社,2002.31.

[4]鐘衛佳,馬可定,吳維治.銅加工技術實用手冊[M].北京:冶金工業出版社,2007.

[5]范順科.世界有色金屬牌號手冊[M].北京:機械工業出版社,2003.

[6]西畑三樹男,劉前立,趙高揚.汽車接插件用Cu-Ni-Sn合金的特性研究[J].功能材料,2004,35:2224-2226.

[7]菅原章,花佳武.Cu-1Ni-0.9 Sn-0.05 P合金(C19025)的耐應力松馳特性[J].國外錫工藝,1999,27(4):24-27.

[8]徐灝,朱協彬,宣夕文,等.低溫退火對錫磷青銅C5191組織和機械性能的影響[J].安徽工程大學學報,2015,30(1):48-51.

[9]郭明恩,劉瑞,孫祖莉.錫磷青銅合金水平連鑄工藝參數的優化[J].鑄造技術,2005,26(7):591-593.

[10]趙惠芬,李國華,戴姣燕.高頻拉鑄工藝對錫磷青銅鑄坯品質的影響[J].上海有色金屬,2014,35(2):71-73.

[11]周瑞庭.錫磷青銅板帶材生產的關鍵技術[J].安徽工業大學學報,2007,24(1):29-32.

[12]馬俊杰,張勇用.C64780合金代替錫磷青銅的可行性研究[J].特種鑄造及有色合金,2014,34(2):205-207.

[13]陸萌萌,胡艷艷,鄭少峰,等.C5210銅合金帶材組織與性能的研究[J].上海有色金屬,2014,35(4):145-149.

[14]吳語,楊勝利.高彈性合金Cu-Ni-Sn的研究與發展[J].上海有色金屬,2014,35(1):38-44.

[15]廖鈺敏,劉東輝,鄧麗華.Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.15Si合金組織與性能研究[J].上海有色金屬,2014,35(1):15-19.

[16]畢莉明,劉平,陳小紅,等.Cu-15Fe-0.1Zr原位復合材料組織和性能的研究[J].上海有色金屬,2013,34(1):10-14.

[17]呂金明,潘青林.冷加工率對汽車水箱翅片用鋁箔抗下垂性能與組織的影響[J].上海有色金屬,2013,34(1):7-9.

New Preparation of NB-109 Copper Strip

FENG Wei,LIU Qinlei

(Ningbo Jintian Copper(Group) Co., Ltd., Ningbo 315034, China)

We investigated NB-109 alloy’s casting,cold working state and annealing state's microstructure property,mechanical property and its variation by DMIRM metalloscope,CMT5504 microcomputer control electron universal testing machines and HVS-10 digital display vickers hardness tester.Casting metallographic structure showed that the matrix was almost α phase,which provided the necessary precondition for cold knobbling fabrication technology.In order to destroy casting microstructure,eliminate the deformation texture and attain optimal microstructure of finishing belt,we must design enough cold rolling rate up to 90 percent,meanwhile,coordinate with the appropriate intermediate annealing temperature,which was a priority for all in the paper.Thus,according to the character of NB-109 material,the NB-109 alloy strip with excellent performance was prepared,the fabrication technology was successfully developed that was the same as tin-phosphor bronze’s basically,which had more excellent performance particularly than tin-phosphor bronze.

NB-109 alloy strip; interconnecting devices; stress relaxation; fabrication technology

1005-2046(2016)03-0095-04

DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2016.03.006

2015-06-01

寧波市重大科技攻關項目(2013B10048)

馮衛(1970—),女,工程師. 主要從事銅合金生產加工方面的研究. E-mail: fengw@jtgroup.com.cn

TG 339

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