C5210錫磷青銅薄帶生產工藝的研究

〔摘 要〕針對C5210錫磷青銅帶在實際生產過程由于工藝控制不合理，出現的鑄坯偏析嚴重、晶粒粗大、板形不良及尺寸精度不高等問題，對C5210錫磷青銅帶連鑄工藝、均勻化退火工藝、粗中軋工作輥凸度選擇、精軋機輥系配置參數選擇及中間退火工藝進行研究，得到了更為合理化的生產工藝控制條件。試驗證明，采用優化后的條件生產可以解決上述常見問題，達到規模化生產，滿足市場需求。

〔關鍵詞〕C5210錫磷青銅薄帶；偏析；晶粒粗大；退火工藝；凸度

中圖分類號：TG333" " " " 文獻標志碼：A" 文章編號：1004-4345（2024）04-001１-05

Study on the Production Process of C5210 Tin-phosphorus Bronze Thin Strip

CHEN Chungang1， LIU Yufei2， GUI Jiabin2，QIU Jiangen1，WANG Tengyun1

（1.Fujian Zijin Copper Industry Co.， LTD.， Longyan， Fujian 364200，Ｃhina；

2.Jiangxi Copper Industry Group Copper Strip Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330000，Ｃhina）

Abstract" In response to the problems of C5210 tin phosphorus bronze strip in the actual production， such as severe casting billet segregation， coarse grains， undesirable plate shape， and low dimensional accuracy caused by unreasonable process control， the paper studies the continuous casting process of C5210 tin phosphorus bronze strip， homogenizing annealing process， selection of roughing/intermediate roll convexity， parameters selection of finish roll system and intermediate annealing process to obtain more rational production process control conditions. The test results proved that the optimized production can solve the above common problems， achieve large-scale production， and meet market demand.

Keywords" tin-phosphor bronze thin strip; segregation; coarse grains; annealing process; convexity

鈹銅作為高強高彈性的銅合金，其高導電率、高導熱率、高硬度、高耐磨性和高耐蝕等性能得到了研究人員的廣泛關注，并在電子行業中有多種關鍵應用。但鈹是一種劇毒元素，在熔煉、鋸切、酸洗過程中產生的微量鈹粉塵和鈹離子可使人致癌，產生“鈹肺”[1-2]；且銅鈹合金材料的價格昂貴，生產加工成本高，因此研究人員一直在尋找一種高強度、高彈性、高硬度、無毒的銅合金取代鈹銅合金[3]。

錫磷青銅具有彈性、耐磨性、抗磁性和抗腐蝕性良好，易焊接等優點[4-5]，有望作為鈹銅合金的替代產品應用到電子信息行業的高端領域。然而，我國高精度錫磷青銅帶的產品質量，與國外先進國家的產品相比，仍存在一定的差距[6]。國內一些用于高端連續端子、連接器和引線框架的高質量錫磷青銅帶還依賴于從國外進口。為解決Ｃ５２１０錫磷青銅薄帶生產中的力學性能差、尺寸精度低、板型不良、表面質量不佳等問題，本文擬結合現場工藝試驗，針對生產工藝和控制要求提出合理化建議，使高精度錫磷青銅薄帶質量滿足現代電子信息產業的要求，并實現規模化生產。

1" "試驗方法

本文采用水平連鑄的方法制備了C5210合金帶材。鑄坯經過均勻化退火后，經過多道次軋制和退火后，得到了0.15 mm的C5210合金帶材。工藝流程圖如圖1所示。

采用帶引伸計的DDL100型萬能材料試驗機對制備所得的Ｃ５２１０合金帶材樣品進行室溫拉伸試驗，拉伸速度設置為2 mm/min，試驗機自動記錄載荷、位移數據，試驗目的為測量抗拉強度及延伸率。采用硬度測試儀器華銀200HVS-5數顯硬度計進行測試，其維氏硬度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的硬度值。

根據JIS標準，C5210合金中w（Sn）范圍在7.0%～9.0%，為確定具體Sn含量對合金性能的影響，本項研究分別制備了w（Sn）為7.5%、8.0%、8.5%和9.0%的板帶材，對其抗拉強度、硬度和延伸率等相關性能進行測定。結果如圖2所示。

圖2" 不同Sn含量C5210板帶的性能

由圖2可以看出，隨著Sn含量的上升，合金的抗拉強度和硬度升高，延伸率急劇降低。合金內

w（Sn）=7.5%時，合金的抗拉強度僅為738.4 MPa；當w（Sn）為9.0%時，合金的延伸率為8.1%。性能均達不到使用要求。因此，結合不同Sn含量的合金性能以及實際生產過程中的偏差，最終確定C5210合金的w（Sn）為8.3%～8.6%時，性能更佳。具體成分如表1所示。

表1" "C5210 錫磷青銅合金化學成分

2" "結果和討論

C5210合金帶材軋制過程有兩個難點，一是軋輥剛度和輥系配對差對薄帶厚度公差的影響，二是退火工藝的確定。

2.1" 連鑄工藝研究

根據Cu-Sn相圖（見圖3），錫磷青銅凝固時的結晶區較大，會產生嚴重的偏析。鑄錠時，容易形成“疏松”或“分散縮孔”，使成品帶材表面“起皮”；同時，在鑄錠時還容易發生Sn含量“外高內低”的反偏析現象，導致冷軋開坯時出現“藍斑”，甚至開裂。因此需要調整鑄造工藝，減少偏析。

圖3" Cu-Sn二元相圖

根據反偏析機理[8-9]，筆者認為影響反偏析的主要因素是鑄造溫度（t）、鑄造速度（v）和冷卻強度（p）[10]，因此以下針對這3個因素對鑄坯的影響進行了相關研究。采用3因素3水平L9（34）正交試驗設計了試驗，對樣品進行了顯微組織觀察和偏析層厚度的測定。其中，考慮到鑄造溫度一般比合金的液態溫度高１１０～１５０ ℃，因此選擇1 160 ℃、１ １８０ ℃、１ ２００ ℃ ３個澆鑄溫度。試驗設計方案如表2所示。

表2" L9（34）正交試驗

如圖4和圖5所示，分別對9個試樣的微觀組織進行了觀察并測量了偏析層厚度，發現9個試樣的微觀組織均為枝晶組織，都存在一定程度的偏析。試樣5的顯微組織均勻，枝晶間距細小，有利于后續加工處理。通過對所有試樣的偏析層進行測定發現，試樣5的偏析層厚度最低，為0.61 mm，因此選擇鑄造溫度1 180 ℃、鑄造速度159 mm/min和水壓0.4 MPa。

圖5" 不同試驗條件對偏析層厚度的影響

2.2" 粗軋和中軋工作輥凸度的選擇

粗軋是預精軋及精軋的準備工序，主要為后續軋制提前提供變形量。一方面，粗軋時要發揮粗軋設備的能力以及材料的塑性，盡量減少軋制道次，提高軋制速度；另一方面，要保證帶材厚度公差穩定，不出現明顯公差跳動[11-12]。

本項目粗軋采用■330 mm/■760 mm×600 mm四輥可逆粗軋機，通過理論計算和試驗優化，建立了C5210帶坯粗軋工藝制度為：14.5 mm—12.0 mm—9.5 mm—7. 5 mm—6.3 mm—5.3 mm—4.5 mm—中間退火—3.24 mm—2.43 mm—2.0 mm。在軋制過程中，發現工作輥采用平輥軋制，彎輥力給到最大值時，仍然無法保證帶材寬度方向截面厚度5點差控制精度。為滿足最終產品公差控制需要，擬采用增加工作輥凸度的措施。為確定最佳的工作輥凸度，選取3種不同凸度進行試驗，試驗結果見表3。

表3" 粗軋工作輥凸度對厚度精度的影響 mm

由表３可以看出，工作輥凸度為0.06 mm時，五點差控制精度最優。

本項目中軋采用■230 mm/■600 mm×600 mm四輥可逆中軋機，控制產品尺寸公差精度及帶材最終性能。中軋不采用大壓下量，厚度為2.0 mm的合金經中軋后，厚度為0.7 mm。與粗軋工序工作輥試驗類似，中軋機經過3種不同凸度的工作輥試驗，最終確定使用凸度為0.04 mm的工作輥。試驗結果見表4。

2.3" 精軋輥系配置參數選擇

精軋是超薄合金銅帶生產的關鍵性工序，由于厚度上的特殊性，精度難以控制。采用美國I2S二十輥精軋機保證軋制薄帶的精度。該設備的最大入口厚度為1.5 mm，最小出口厚度為0.05 mm，最大軋制速度為600 m/min。合金薄帶產品軋制過程見圖6。

因精軋機工作輥磨削次數較多，且數量較多，軋輥配對差值也較大，為保證產品尺寸能夠達到要求，且為后續生產提供參考依據，分別選取了3種不同配對差進行工作輥試制，試制結果見表5。

表5" 工作輥配對差對帶材厚度精度的影響 " mm

由表５可知，工作輥配對差≤0.3 mm時，對產品精度的影響最小。

二十輥軋機軋制0.10 mm以下超薄帶時，道次加工率、軋制速度和張力等參數控制不當，會造成帶材邊部撕裂，甚至斷帶，影響帶材質量，因此需要針對這些參數進行優化。針對不同道次的道次加工率進行了調整，如表6所示，同時調整軋制速度為200～260 m/min，并采用較小的后張力軋制，穩定后張力的同時，能有效地穩定軋制壓力。軋制厚度為0.05～0.15 mm的合金薄帶材時，張力控制在3～6 kN，調整后軋機軋制力均衡，帶材厚度波動情況良好，軋后產品平整、厚度均勻。

表6" 道次加工率" " " " " " "%

通過上述軋制工藝參數的優化，實現了合金薄帶的高精軋制。0.15 mm的Ｃ５２６合金帶材軋后厚度為0.05 mm，厚度公差能控制在±0.003 mm。合金超薄帶材工藝優化后厚度公差如圖7所示。

2.4" 均勻化退火工藝

對鑄坯觀察發現，鑄坯中Sn元素存在著明顯的反偏析和枝晶偏析的現象。偏析的存在會使得材料的塑性變形不均勻，從而容易引起應力集中，導致裂紋產生，因此需要在軋制之前對鑄坯進行均勻化退火處理，確定合理的均勻化退火制度。

根據實際生產情況，分別選取570 ℃、600 ℃、630 ℃、670 ℃、700 ℃和730 ℃ 6個溫度對鑄坯進行均勻化退火試驗，退火時間為8 h；并對退火后樣品的金相組織進行觀察。不同均勻化退火溫度下鑄坯顯微組織如圖8所示。

如圖8所示，570 ℃退火8 h后仍然為枝晶組織，600 ℃退火8 h后枝晶消失，變成等軸晶。隨著退火溫度的升高，晶粒明顯長大，孿晶結構愈發發達。730 ℃退火8 h后，晶界明顯粗化，溫度過高，引起了晶界的局部熔化。根據上述結果，試驗選擇在670 ℃下分別退火8 h、12 h、２０ h和24 h，研究退火時間對合金組織晶粒大小的影響。不同退火時間對鑄坯合金相組織見圖9。

由圖９可以看出，在６７０ ℃下，退火８ h后，合金晶粒不再明顯長大。因此，確定均勻化退火工藝條件為670 ℃下，退火８ h。

2.5" 中間退火工藝

中間退火工序是消除加工硬化、調節帶材晶粒大小，使得材料能夠進一步冷變形[13-14]的重要環節。本文分別在450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃和650 ℃下對合金退火2 h，觀察其組織和性能變化。不同退火溫度下的合金顯微組織見圖10。

由圖１０可以看出，合金軋制后顯微組織呈纖維狀，經450 ℃×2 h退火后，再結晶已經比較完全。隨著退火溫度的升高，晶粒顯著長大。晶粒長大會影響后續軋制時晶粒變形的協調性，因此中間退火溫度控制在550 ℃。

3.5" 成品退火工藝

錫磷青銅是一種低溫退火型合金，即合金在低于再結晶溫度下進行低溫處理，有助于改善合金的性能[15-16]。試驗將經二次中間退火軋制后的帶材分別置于160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃和240 ℃的低溫下退火2 h，觀察其組織情況。不同退火溫度下帶材的金相組織見圖11。

圖11" 不同低溫退火溫度下的合金帶材金相組織

由圖１１可以看出，低溫退火工藝的退火溫度對合金的顯微組織沒有明顯影響。為了進一步探究退火時間對性能變化的影響，在220 ℃下分別進行60 min、90 min、120 min和150 min退火，測試抗拉強度和延伸率變化情況見圖12。

由圖１２可以看出，低溫處理后的錫磷青銅帶材隨著退火時間的增加，抗拉強度無明顯變化，但延伸率明顯提高。

根據以上試驗結果，C5210合金成品低溫退火溫度確立為200～240 ℃，保溫時間確立為1～2 h。

4" "結論

綜上所述，通過本文對C5210錫磷青銅帶連鑄工藝、均勻化退火工藝、粗中軋工作輥凸度選擇、精軋機輥系配置參數選擇及中間退火工藝的研究，得到以下結論：1）C5210錫磷青銅合金的主成分Sn的質量分數應控制在8.3%～8.6%。２）水平連鑄關鍵控制參數澆鑄溫度為1 180 ℃±10 ℃、鑄造速度為159 mm/min、水壓為0.4 MPa。3）均勻化退火溫度選擇在600～680 ℃、保溫時間為6～8 h，提高溫度可以適當縮短退火的時間；中間軟化退火溫度應控制在500～550 ℃；成品退火溫度控制在200～240 ℃，保溫時間為1～2 h。4）粗軋機工作輥凸度為0.06 mm、中軋機工作輥凸度0.04 mm、精軋機工作輥配對差≤0.3 mm、成品軋制時后張力為3～6 kN。

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收稿日期：2023-11-01

作者簡介：陳春剛 （1980—），男，高級工程師，主要從事銅板帶生產、工藝研發、質量管理工作。