0.5 mm 半硬態C5071 銅合金帶材氣墊爐600 ℃留底退火工藝研究

聶艷春，劉羽飛，胡斐斐，梅偉，王松偉

（1.江西銅業集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330000；2.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

隨著全球電子行業的高速發展，對電子元器件的功能和性能都提出了越來越高的要求，銅及銅合金帶材作為制作電子元器件的關鍵材料受到越來越多的關注和研究［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電性能，是制作電子元器件的理想材料，被廣泛應用于制造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，國內銅板帶企業生產的C5071銅合金帶材以0.5 mm 半硬態為主，所用的氣墊爐留底退火溫度大多為700 ℃，與常規紫銅和錫磷青銅600 ℃的留底退火溫度不匹配，氣墊爐生產時需要頻繁的升溫、降溫，嚴重影響氣墊爐的生產組織和生產效率，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C5071銅合金帶材的生產效率。0.5 mm 半硬態C5071 銅合金帶材的力學性能和電導率要求見表1。

表1 0.5 mm半硬態C5071銅合金帶材的力學性能和電導率Table 1 Mechanical properties and electrical conductivity of 0.5 mm semi-hard C5071 copper alloy strip

1 實 驗

1.1 C5071銅合金鑄坯的制備

C5071 銅合金的鑄造設備采用的是山東泰達生產的雙流水平連鑄爐，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量的關鍵，因此在鑄造工藝方面采用了一套成熟穩定的熔鑄工藝，以確保C5071 銅合金鑄坯的質量，具體工藝參數見表2。

表2 水平連鑄法生產C5071銅合金鑄坯的工藝參數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標要求，從保溫爐中取樣進行成分檢測。圖1 分別為保溫爐鑄坯樣品圖和使用全譜直讀光譜儀進行成分檢測的實景圖，鑄坯成分檢測結果見表3。

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

表3 C5071鑄坯成分檢測結果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 分別代表鑄坯的長度方向、寬度方向和厚度方向。從圖2（b）可見，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，柱狀晶生長區較窄，而下表面晶粒尺寸較大，柱狀晶生長區較寬，這是由于水的重力作用導致結晶器上模板的冷卻能力強于下模板，因而鑄坯上表面的形核率較高，晶粒較細小。由于后續工藝中粗軋開坯的加工率達到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，對成品的力學性能及電導率均無影響。

圖2 （a）C5071水平連鑄坯拉鑄實景和（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控制留底工藝獲得，因此0.5 mm 半硬態C5071 帶材在粗軋-中間退火工藝上采用常規青銅的工藝［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

為了確認粗軋-中間退火工藝的合理性，對其組織進行金相分析。圖3（a，b）為2.0 mm C5071 銅合金軋制態和退火態的金相組織。由圖3（a）可見，C5071 鑄坯經粗軋軋制后鑄態晶粒沿軋制方向被拉長，形成了方向性明顯的纖維組織。由圖3（b）可見，經鐘罩爐退火后，粗軋軋制形成的纖維組織全部轉變為細小均勻的再結晶組織，晶粒尺寸約為10 μm，說明2.0 mm C5071軋制態組織經過鐘罩爐退火后發生了完全的再結晶。

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

對退火態樣品進行力學性能和電導率測試。硬度測試采用日本恒一公司生產的FV-700 維氏硬度計；抗拉強度和延伸率測試采用日本島津公司生產的AG-500 KN 電子拉伸試驗機；電導率測試采用德國Linseis 公司生產的LSR3 電阻系數分析儀。測試結果見表5。

表5 C5071退火態樣品的力學性能和電導率測試結果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 重所生產的Φ230 mm/Φ600 mm×600 mm 四輥可逆中軋機將2.0 mm 退火態帶材分別軋至1.8，1.6，1.4，1.2，1.0，0.8，0.6 mm，對應的冷軋加工率分別為10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，冷軋加工率的計算公式如式（1）。

式中，ε為冷軋加工率，d為軋制前厚度，d0為軋制后厚度。

取每個冷軋加工率對應的樣品檢測其維氏硬度，然后根據檢測結果繪制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 結果與分析

2.1 留底厚度的確定

為了使0.5 mm 半硬態C5071 銅合金帶材的力學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C5071 銅合金的冷軋加工率曲線，硬度HV160.5對應的冷軋加工率約為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，按照工藝規程進行退火。退火設備采用的是德國容克公司生產的氣墊式退火爐，如圖5 所示，設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 德國容克氣墊式退火爐Fig.5 Germany junker air cushion annealing furnace

對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C5071 銅合金帶材的留底退火溫度設定為600 ℃，設置了20，40，60 m/min3 個退火速度進行試驗，分別取退火后的帶材進行金相觀察，觀察結果如圖6所示。從圖6（a，b）可見，金相組織的晶界明顯且晶粒細小均勻，部分區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生了再結晶，且在氣墊爐600 ℃，20 m/min 的退火工藝條件下晶粒發生了一定程度的長大。從圖6（c）可見，晶相仍然保留著軋制狀態下的纖維組織，晶界不清晰，說明其在氣墊爐600℃，60 m/min 的退火工藝條件下未發生再結晶或再結晶不充分。

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

為了進一步確定帶材在氣墊爐不同退火工藝下達到的效果，分別取樣并測試了其硬度、抗拉強度和延伸率，結果見表6。測試數據與金相組織的分析結果基本吻合，且帶材在氣墊爐中以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C5071 銅合金帶材的氣墊爐留底退火工藝應采用退火溫度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

成品軋制設備采用的是美國I2S公司生產的二十輥精軋機，可生產厚度0.05～1.0 mm的帶材，厚度控制誤差為8 μm，最大軋制速度能達到600 m/min。0.5 mm 半硬態C5071 銅合金帶材的成品軋制工藝為0.68 mm-0.5 mm，按照工藝規程完成成品軋制后，取樣測試其硬度、抗拉強度、延伸率、電導率，結果見表7，可見其各項性能均滿足要求，說明整套工藝流程可生產出合格的0.5 mm 半硬態C5071銅合金帶材。

表7 0.5 mm半硬態C5071帶材成品力學性能和電導率Table 7 Mechanical properties and conductivity of 0.5 mm semi-hard C5071 finished product

3 結論

由于水的重力作用導致結晶器上模板的冷卻能力強于下模板，因此水平連鑄法生產的C5071鑄坯金相組織表現為：上表面晶粒較細，柱狀晶生長區較窄；下表面晶粒尺寸較大，柱狀晶生長區較寬。

通過繪制C5071銅合金的冷軋加工率曲線，確定了0.5 mm 半硬態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，發現在氣墊爐600 ℃ 和40 m/min的退火工藝下退火后，材料發生了明顯的再結晶，晶粒細小而均勻，同時結合其性能測試結果，確定退火溫度600 ℃、退火速度40 m/min為0.5 mm半硬態C5071銅合金帶材最佳的氣墊爐留底退火工藝。

使用美國I2S 公司生產的二十輥精軋機進行成品軋制，最終獲得了性能符合預期且滿足要求的0.5 mm半硬態C5071銅合金帶材。