C5240銅合金加工過程的組織演變與力學(xué)性能*

陳 巖，胡斐斐，劉 昆，林 毅，孫佳明，劉羽飛

（1.江西銅業(yè)集團有限公司，江西 南昌 330096；2. 江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；3.江西銅業(yè)集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

錫磷青銅是常用的彈性銅合金，具有更高的耐蝕性、耐磨性和耐疲勞性等綜合性能，且其彈性性能較一般銅合金好，被廣泛用于電子連接器行業(yè)中，如彈性接插件、彈簧、開關(guān)等電連接器件，是目前銅基彈性合金材料用途最廣的彈性材料［1-2］。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C5111（4%Sn）到高錫C5212（9%Sn）的錫磷青銅都被大量應(yīng)用，其中用量最大的錫磷青銅帶材主要包括C5210和C5191，其含錫量分別為7%和5%［3-4］。

水平連鑄是生產(chǎn)錫磷青銅板帶的重要生產(chǎn)工藝，具有工序短、生產(chǎn)成本低、設(shè)備占地面積小等優(yōu)點。但在水平連鑄過程中，鑄坯的溫度梯度大，冷卻速度快，在凝固過程中易產(chǎn)生偏析、疏松、氣孔等缺陷，影響后續(xù)加工帶材的質(zhì)量［5-6］。工業(yè)上常采用添加稀土和施加電磁攪拌方法，使錫磷青銅鑄造組織細化，從而減輕偏析和疏松缺陷［7-9］。錫磷青銅帶材一般采用冷軋開坯，鑄錠經(jīng)均勻化退火、多次冷軋和中間退火，軋制成不同厚度的帶材。工藝上國內(nèi)與國外的差別在于均勻化退火與銑面的先后順序。錫磷青銅加工硬化率非常高，在冷加工生產(chǎn)過程中中間退火次數(shù)多，生產(chǎn)周期較長。

隨著各種電子連接器件向小型化、長壽命方向迅猛發(fā)展，對錫磷青銅帶材的表面質(zhì)量、材料性能提出了更高的要求，如更高的機械性能和彈性、足夠的導(dǎo)電性、良好的成型性能以及適宜的可焊性。C5240銅合金可大量用于生產(chǎn)此類要求的彈性接插件，而目前國內(nèi)該類產(chǎn)品主要依靠進口［10］。本文通過摸索配料和鑄造工藝，制備高強高彈C5240鑄坯，并進一步通過金相組織觀察和能譜分析研究電磁攪拌對C5240合金及Sn元素分布的影響規(guī)律。

2 試驗部分

2.1 原材料

采用0#電解銅板、純錫錠、15%的磷銅中間合金，通過精密定量儀器，控制Sn和磷銅中間合金的添加量，最終獲得的C5240錫磷青銅其Sn含量為9%，P含量為0.16%，其余含量為Cu。

2.2 熔煉工藝

熔化爐選用耐燒不易破碎的硬質(zhì)雜木炭為覆蓋劑，經(jīng)過充分煅燒后再投爐覆蓋，熔化爐木炭覆蓋厚度控制在150mm；流槽和保溫爐也選用木炭進行覆蓋，木炭的含炭量不得低于99.95%，覆蓋前放置在爐旁烘烤2h，石墨鱗片覆蓋層的厚度控制在200 mm。熔煉溫度控制在1250～1280℃。

2.3 鑄造工藝

采用合理的生產(chǎn)工藝，鑄造出內(nèi)部品質(zhì)和表面質(zhì)量俱佳的帶坯，是生產(chǎn)高性能彈性接插件的重要前提條件。本文經(jīng)過三種不同拉鑄工藝對比實驗如表1，確定了最佳的拉鑄工藝。同時，為了降低偏析程度和細化晶粒，并加入了電磁攪拌，電磁攪拌的功率為30W，電壓為40V。采用優(yōu)化后的工藝3制備了C5240合金16mm帶坯，其表面質(zhì)量良好，幾乎無裂紋（圖1）。

表1 不同拉鑄工藝參數(shù)對比

圖1 C5240合金16mm鑄坯

2.4 軋制工藝

采用粗軋與精軋，將16mm鑄坯軋制到0.5mm帶材。粗軋采用國產(chǎn)4輥可逆軋機，往復(fù)經(jīng)過10個道次從16mm軋制到5mm，累計變形量達到68.75%；精軋采用國產(chǎn)6輥可逆軋機，往復(fù)經(jīng)過9個道次從5mm軋制到0.5mm，累計變形量達到90%。為了提高帶材的可加工性能，在粗軋與精軋之間采用了中間退火工藝，中間退火主要采用氣墊爐。

3 結(jié)果與討論

3.1 電磁攪拌對鑄造組織及Sn元素分布的影響

對鑄坯的橫截面進行低倍金相組織觀察，所得結(jié)果如圖2所示。可見，未電磁攪拌和電磁攪拌的C5240鑄坯的橫截面都呈現(xiàn)典型的柱狀晶區(qū)，但是，加入電磁鑄造的鑄坯其柱狀晶得到明顯的細化。

圖2 低倍鑄態(tài)金相組織

對根據(jù)Cu-Sn二元合金相圖［11］可知，含Sn大約為10%的無P錫青銅的凝固溫度范圍為270℃，而加入了0.15%的P之后，凝固溫度范圍擴大至390℃，故會產(chǎn)生強烈的偏析現(xiàn)象，為此，項目組首先采用直讀光譜儀對比分析了電磁攪拌對Sn元素偏析的影響，其結(jié)果如圖3所示。deepth=0意味著鑄坯上表面，deepth增加指的是沿著鑄坯的厚度方向增加深度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未電磁攪拌和電磁攪拌的鑄坯沿著厚度方向Sn元素含量沒有明顯的變化。為了驗證該結(jié)果，項目組利用江銅研究院的能譜儀進一步深入分析了Sn元素的分布，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，經(jīng)過電磁攪拌的鑄坯沿著厚度方向Sn含量分布較均勻，而未加入電磁攪拌的樣品，其Sn元素分布不均勻，發(fā)生明顯的偏析現(xiàn)象。值得注意的是，能譜儀分析能夠更加準確的分析合金中Sn元素含量的分布。

圖3 電磁攪拌對反偏析的影響（直讀光譜儀），wt.%，注：deepth=0意味著鑄坯上表面，deepth增加指的是沿著鑄坯的厚度方向增加

圖4 電磁攪拌對反偏析的影響（能譜結(jié)果），wt.%，（a）未電磁攪拌和（b）電磁攪拌，注：deepth=0意味著鑄坯上表面，deepth增加指的是沿著鑄坯的厚度方向增加

3.2 粗軋后的組織與力學(xué)性能

對粗軋至5mm厚的帶材沿著軋制方向取樣，對試樣進行了取樣分析，其結(jié)果如圖5所示，可見，粗大的均勻化組織經(jīng)過了大加工率粗軋以后，晶粒沿著軋制方向拉長，有大量的位錯和空位等缺陷。

圖5 粗軋到5mm的C5240帶材金相組織

對粗軋至5mm厚的帶材沿著軋制方向取樣，做了拉伸實驗，也測試了相應(yīng)的導(dǎo)電性和硬度，其結(jié)果如圖6和表2所示，可見，進行過加工率68.75%的粗軋的C5240帶材的屈服強度和抗拉強度達到了746和892MPa，保持了比較高的斷裂延伸率，導(dǎo)電性也達到了10.97% IACS。

表2 粗軋至2.5mm厚硬態(tài)C5240帶材的相關(guān)性能

圖6 粗軋至5mm厚硬態(tài)C5240帶材拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變

3.3 中間退火后力學(xué)性能

為了提高可加工性能有助于下一步精軋，需要對5mm厚的C5240帶材進行一定溫度和時間的中間退火，本文選擇了550℃+5h的中間退火工藝。對粗軋至5mm厚的550℃+5h退火態(tài)的帶材沿著軋制方向取樣，做了拉伸實驗，也測試了相應(yīng)的導(dǎo)電性和硬度，其結(jié)果如圖7和表3所示，可見，進行550℃+5h退火的C5240帶材的屈服強度和抗拉強度分別降低至191和388MPa，斷裂延伸率大大提高至38.9%，導(dǎo)電性也達到了10.2% IACS。

圖7 粗軋至5mm厚550℃+5h退火的C5240帶材拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變

表3 粗軋至5mm厚500℃+6h退火的C5240帶材的相關(guān)性能

3.4 精軋過程中的組織演變與力學(xué)性能

對中軋過程不同道次的金相組織進行觀察，觀察的面是沿著軋制方向的側(cè)面，其結(jié)果如圖8和圖9所示，從圖中可見，隨著軋制變形量的增加（厚度的降低），晶粒越來越細化，越來越纖維化，而且所有道次的晶粒都比較小，切有一定量的孿晶。

圖8 中軋過程中C5240帶材金相組織：（a）軋至1.9mm，（b）軋至1.4mm，（c）軋至1.08mm厚，（d）軋至0.95mm，（e）軋至0.85mm和（f）軋至0.8mm

圖9 中軋過程中C5240帶材SEM組織：（a）軋至1.9mm，（b）軋至1.4mm，（c）軋至1.08mm厚，（d）軋至0.95mm，（e）軋至0.85mm和（f）軋至0.8mm

對中軋從5mm至0.5mm過程中部分道次的帶材沿著軋制方向取樣，測試了相應(yīng)的導(dǎo)電性和硬度，其結(jié)果如圖10所示，可見，隨著中軋過程中帶材厚度的減薄（加工率的增加），帶坯的硬度增加，而導(dǎo)電率緩慢降低，中軋過程中各個道次的帶材導(dǎo)電率也在10% IACS以上。可知，軋制過程中的電導(dǎo)率隨著位錯密度的增加，并沒有顯著降低，換句話說，位錯對電導(dǎo)率 的降低作用沒有固溶原子大。

圖10 從5mm軋制到0.5mm過程C5240帶材部分道次的（a）硬度和（b）電導(dǎo)率隨帶材厚度的變化

4 結(jié)論

（1）對16mm的 C5240鑄坯進行電磁攪拌后，鑄坯沿著厚度方向Sn含量分布較均勻，而未加入電磁攪拌的樣品，其Sn元素分布不均勻，發(fā)生明顯的偏析現(xiàn)象。

（2）對5mm的C5240帶材進行550℃+5h的中間退火，其屈服強度和抗拉強度分別降低至191和388MPa，斷裂延伸率大大提高至38.9%，導(dǎo)電性達到10.2% IACS。

（3）從5mm軋制至0.5mm過程中，電導(dǎo)率隨著位錯密度的增加并沒有顯著降低，因此，位錯對電導(dǎo)率的降低作用沒有固溶原子大。