軋制及退火工藝對(duì)C5071青銅帶材組織與性能的影響

胡斐斐,章志浩,劉羽飛,江平華,劉誠(chéng)毅

(1.江西江銅高精板帶有限公司,江西 南昌 330096;2.江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司,江西 南昌 330096)

0 引言

隨著各類電器產(chǎn)品的飛速發(fā)展和功能需求的不斷提升,對(duì)觸頭材料的性能要求越來(lái)越高,然而目前常用的純銅已難以滿足低壓電器產(chǎn)品的使用要求。銅基合金作為一種常用的電器觸頭材料,迫切地需要對(duì)其性能進(jìn)行提升,使其具備更好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和耐磨性能,以滿足低壓電器市場(chǎng)的需求[1-5]。

C5071是Sn含量在1.7%～2.3%的錫磷青銅合金,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和加工成形性能,并兼具較好的延展性、耐用性和耐腐蝕性,可用于CPU插槽、手機(jī)按鍵、汽車端子、電器接插件、波紋管、彈片和口琴摩擦片等[6-9]。同時(shí)C5071銅合金相較于C5210和C5212等Sn含量較低,具有一定的成本優(yōu)勢(shì)[10]。國(guó)內(nèi)外對(duì)該類產(chǎn)品需求很大,而國(guó)內(nèi)具備生產(chǎn)C5071銅帶能力的廠家較少。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)C5071青銅相關(guān)報(bào)道主要集中在C5191和C5210等錫磷青銅合金的水平鑄造、冷軋及中間退火工藝的制備研究。C5210銅合金在鐘罩爐內(nèi)經(jīng)650 ℃×9 h退火處理后合金元素分布相對(duì)均勻,粗軋冷軋加工率可達(dá)80%以上。隨著退火溫度的升高,C5210合金帶材殘余應(yīng)力減小,折彎時(shí)試樣不容易達(dá)到強(qiáng)度極限而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,帶材的折彎性能得以提高[11-12]。劉羽飛等[13]采用改進(jìn)的“先冷軋開(kāi)坯再均勻化退火”工藝同時(shí)降低中間退火溫度,制備的C5210合金帶材晶粒尺寸更小,力學(xué)性能更高,折彎及沖壓后表面無(wú)裂紋。徐灝等[14]對(duì)錫磷青銅C5191進(jìn)行200 ℃×4 h熱處理后,發(fā)現(xiàn)合金的晶粒細(xì)化程度最佳,抗拉強(qiáng)度為625 MPa,屈服強(qiáng)度為594 MPa,符合高性能錫磷青銅材料的要求。劉峰等[15]采用大變形加工率軋制和在線連續(xù)光亮退火組合的工藝技術(shù),制備的高錫Cu-Sn-P合金的晶粒尺寸達(dá)到4～6 μm,實(shí)現(xiàn)了高錫Cu-Sn-P合金力學(xué)性能和折彎性能的協(xié)同提升。

道次加工率是影響銅及銅合金帶材成品表面質(zhì)量和綜合力學(xué)性能的重要因素[16-17],在粗軋、中軋和精軋工序選擇合適的加工率能使得產(chǎn)品達(dá)到客戶的使用要求。同時(shí)軋后進(jìn)行中間退火能夠通過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶來(lái)消除冷軋加工硬化,減小內(nèi)應(yīng)力,使帶材具有良好的綜合力學(xué)性能,并獲得細(xì)小均勻的組織。目前國(guó)內(nèi)銅板帶行業(yè)關(guān)于C5071青銅合金軋制加工率及退火制度等制備工藝與成品力學(xué)性能的影響規(guī)律未見(jiàn)詳細(xì)闡述。本文研究開(kāi)發(fā)出厚度符合要求,各項(xiàng)性能均達(dá)標(biāo)的插座用C5071青銅板帶帶材加工工藝和退火處理工藝,重點(diǎn)研究了粗軋及中軋工序加工率和中間退火工藝對(duì)帶材組織和性能的影響,研究結(jié)果在銅及銅合金帶材的實(shí)際生產(chǎn)方面提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

C5071青銅帶材鑄坯采用水平連鑄工藝制備,青銅水平連鑄分為熔化爐和保溫爐,熔鑄過(guò)程主要通過(guò)熔化爐對(duì)原料進(jìn)行熔化和成分調(diào)整,再轉(zhuǎn)入保溫爐進(jìn)行引鑄拉坯,鑄坯尺寸為16 mm×440 mm。具體熔鑄工藝流程為:原料→煅燒木炭覆蓋→熔化→加鎳→攪拌→升溫→檢驗(yàn)分析→成分調(diào)整→升溫扒渣→煅燒木炭覆蓋→靜置→轉(zhuǎn)爐→鑄造卷取。主要熔鑄參數(shù)為:熔化溫度1250～1265 ℃,鑄造溫度1180～1190 ℃,帶坯出口溫度330～400 ℃,進(jìn)水溫度27～35 ℃,出水溫度45～55 ℃,進(jìn)水壓力0.3～0.45 MPa,鑄造速度160～167 mm/min。

水平連鑄獲得成分合格和組織均勻的鑄坯后,將鑄坯上下表面和側(cè)面進(jìn)行銑削以去除表面氧化層。其中上表面銑削量為0.7 mm,下表面銑削量為0.8 mm,側(cè)邊銑削量為1.5 mm,銑削后進(jìn)行軋制及中間退火處理。C5071銅合金開(kāi)坯粗軋?jiān)囼?yàn)軋制在φ330/φ760 mm×600 mm四輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行,采用兩種開(kāi)坯粗軋工藝分別軋至1.5 mm和2.0 mm。開(kāi)坯軋制后在鐘罩式光亮退火爐中進(jìn)行退火,退火工藝為480 ℃保溫6 h。比較了兩種工藝下C5071青銅帶材粗軋及退火后的性能與組織。中軋工序在φ230/φ600 mm×600 mm四輥可逆中軋機(jī)上進(jìn)行,制定了三種中軋工藝,并對(duì)比了三種工藝軋制后的金相組織和力學(xué)性能。將中軋制料在氣墊式退火爐中進(jìn)行退火處理,研究了退火溫度為600 ℃時(shí),不同退火速度對(duì)帶材力學(xué)性能和組織的影響規(guī)律。成品精軋?jiān)诿绹?guó) I2S 生產(chǎn)的二十輥精軋機(jī)上進(jìn)行,采用常規(guī)的0.68～0.5 mm軋制工藝。軋至成品規(guī)格為0.5 mm后,根據(jù)精軋成品組織及性能,采用鐘罩式光亮退火爐對(duì)精軋成品進(jìn)行低溫退火,探究了在不同退火溫度210、230和290 ℃保溫3.5 h退火工藝下,C5071青銅帶材性能與組織的變化規(guī)律,同時(shí)對(duì)成品組織和性能進(jìn)行調(diào)控。鐘罩爐和氣墊爐均通入不同比例的氫氣和氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣,其中鐘罩爐通入75%氫氣和25%氮?dú)?氣墊爐通入97.5%氮?dú)夂?.5%氫氣。

通過(guò)多工序冷軋及退火等流程制備產(chǎn)品規(guī)格為0.5 mm×410 mm的C5071青銅帶材,具體工藝流程如圖1所示。

圖1 C5071青銅帶材制備流程Fig.1 Preparation process of C5071 bronze strip

2 結(jié)果與討論

2.1 粗軋加工率對(duì)帶材組織與性能的影響

采用水平連鑄技術(shù)制備的C5071青銅帶材成分見(jiàn)表1,合金成分符合國(guó)標(biāo)和內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

表1 C5071合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

拉鑄鑄坯及其低倍組織如圖2所示,鑄坯表面完整,結(jié)晶線較平直,無(wú)明顯缺陷;對(duì)比截面低倍組織發(fā)現(xiàn),鑄坯組織晶粒細(xì)小均勻,中心線居中沒(méi)有明顯上移。

(a)鑄坯表面;(b)鑄坯低倍組織

在現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)備及設(shè)備條件下,影響粗軋帶材最重要的是粗軋加工率的選擇。結(jié)合已有的成熟青銅鑄坯開(kāi)坯粗軋工藝,制定了兩種開(kāi)坯粗軋工藝方案:工藝一軋程為14.5-11.5-8.5-6.4-4.5-3.2-2.1-1.5,加工率為89.66%;工藝二軋程為14.5-11.5- 8.5-6.4-4.9-2.8-2.0,加工率為86.21%。C5071帶材粗軋至1.5 mm和2.0 mm厚度后,均以120 ℃/h的升溫速率加熱到480 ℃保溫6 h進(jìn)行中間退火處理,兩種工藝下帶材粗軋及退火后的組織和性能分別見(jiàn)圖3和圖4。粗軋至2.0 mm的帶材表面平整,無(wú)其他可見(jiàn)缺陷,晶粒均勻變形,組織呈軋制態(tài);480 ℃退火后晶粒發(fā)生完全再結(jié)晶,晶粒組織細(xì)小均勻。而粗軋至1.5 mm的帶材表面呈現(xiàn)輕微流線態(tài),邊部出現(xiàn)裂紋,晶粒沿軋制方向變形;480 ℃退火后晶粒發(fā)生回復(fù),但未完全再結(jié)晶,仍有部分粗大組織。中間退火后帶材抗拉強(qiáng)度和硬度均大幅降低,延伸率顯著提高,導(dǎo)電性無(wú)明顯變化。由于工藝一的加工率較大,粗軋和退火后帶材的抗拉強(qiáng)度及硬度均大于工藝二。強(qiáng)度和硬度的降低改善了材料的塑性,便于后續(xù)軋制。結(jié)合退火前后軋制態(tài)及退火態(tài)帶材組織、性能及表面質(zhì)量等,采用粗軋工藝二作為開(kāi)坯軋制的最佳工藝,并進(jìn)行后續(xù)再軋制研究。

(a)粗軋工藝一;(b)粗軋工藝二;(c)粗軋工藝一+退火;(d)粗軋工藝二+退火

圖4 粗軋帶材退火前后的性能Fig.4 Performance of rough rolling strip before and after annealing

2.2 中軋加工率及中間退火工藝對(duì)帶材組織與性能的影響

開(kāi)坯軋制后帶材經(jīng)過(guò)回復(fù)及再結(jié)晶退火,恢復(fù)軟化再軋制態(tài)。結(jié)合既往成熟的道次分配經(jīng)驗(yàn)及軋機(jī)道次加工率,制定了三種中軋工藝,如表2所示。

表2 三種中軋工藝方案

三種中軋工藝帶材的金相組織如圖5所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),中軋工藝一加工率較大,C5071帶材抗拉強(qiáng)度及硬度最大,延伸率最小,板型邊浪明顯,金相觀察發(fā)現(xiàn)纖維狀組織明顯,晶粒變形嚴(yán)重;中軋工藝三加工率較小,具有最大的延伸率,而硬度及抗拉強(qiáng)度最小,板型輕微中間浪,金相組織纖維狀不明顯,整體有軋制流線型;中軋工藝二加工率適中,帶材抗拉強(qiáng)度、延伸率及硬度合適,板型較平直,晶粒變形均勻且綜合力學(xué)性能較好,因此后續(xù)基于中軋工藝二進(jìn)行中間退火和精軋研究。

(a)中軋工藝一;(b)中軋工藝二;(c)中軋工藝三

在氣墊式退火爐上采用不同的退火工藝對(duì)C5071合金帶材0.68 mm中軋留底料進(jìn)行研究。帶材在開(kāi)卷后經(jīng)脫脂、刷洗、清洗和烘干,通過(guò)入口活套進(jìn)行帶材張力的測(cè)量和控制,隨后進(jìn)入爐體加熱。同時(shí),采用爐體入口輥封和出口水封防止空氣進(jìn)入爐內(nèi),以避免帶材氧化。根據(jù)中軋加工率及帶材厚度等綜合因素,制定四種氣墊爐退火工藝進(jìn)行研究,具體工藝參數(shù)表3所示,帶材退火后金相組織如圖6所示,力學(xué)性能和晶粒尺寸如圖7所示。

表3 0.68 mm帶材氣墊爐退火方案

(a)退火工藝一;(b)退火工藝二;(c)退火工藝三;(d)退火工藝四

(a)抗拉強(qiáng)度與延伸率;(b)硬度與晶粒尺寸

由氣墊爐退火試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著退火速度升高,帶材抗拉強(qiáng)度及硬度逐漸下降,延伸率逐漸增加。其中退火速度為35 m/min及30 m/min的帶材,金相組織還存在大晶粒及拉長(zhǎng)晶粒,回復(fù)再結(jié)晶不完全,大小晶粒不均勻。退火速度為27 m/min時(shí),晶粒較小,但是仍存在部分大晶粒,晶粒組織不均勻,成品性能不達(dá)標(biāo)。退火速度為25 m/min時(shí),獲得較好的綜合性能,金相組織均勻,晶粒細(xì)小。因此在氣墊爐退火留底料時(shí)選擇退火工藝四進(jìn)行留底退火。

2.3 成品低溫退火工藝對(duì)帶材組織與性能的影響

精軋工序?qū)Ξa(chǎn)品的厚度公差、板形和物理性能均有重要影響,為了提高板型及保證軋制 C5071青銅板帶的質(zhì)量,0.68-0.5 mm成品軋制在二十輥精軋機(jī)按常規(guī)工藝進(jìn)行。由于精軋階段加工率較小,軋制后組織均勻,晶粒變形小,如圖8(a)所示。軋至0.5 mm后,未退火產(chǎn)品性能偏高,其中抗拉強(qiáng)度為520 MPa,硬度為165 HV。為了使C5071成品帶材綜合性能滿足試驗(yàn)預(yù)期及技術(shù)要求,對(duì)精軋后的帶材進(jìn)行成品退火以調(diào)控性能。制定了三種成品退火工藝:工藝一為210 ℃保溫3.5 h;工藝二為230 ℃保溫3.5 h;工藝三為290 ℃保溫3.5 h。三種退火工藝對(duì)應(yīng)的金相組織分別如圖8(b)、8(c)和8(d)所示,低溫退火后帶材為等軸晶組織,且晶粒尺寸較退火前有一定程度的細(xì)化。

(a)精軋;(b)退火工藝一;(c)退火工藝二;(d)退火工藝三

三種退火工藝下成品帶材的力學(xué)性能如圖9所示。由圖9可知,210 ℃×3.5 h退火工藝下帶材抗拉強(qiáng)度偏高,290 ℃×3.5 h退火后帶材力學(xué)性能盡管在技術(shù)要求范圍內(nèi),但仍處于偏低范圍,容易造成不合格波動(dòng)。而230 ℃×3.5 h退火后帶材性能均位于技術(shù)要求中間,允許波動(dòng)范圍大;同時(shí)其金相組織均勻較小,測(cè)得彈性模量為117 GPa,符合技術(shù)要求。

圖9 帶材成品退火后性能Fig.9 Performance of the finished product strip after annealing

3 結(jié)論

本文研究了不同道次加工率和去應(yīng)力退火處理工藝對(duì)C5071青銅帶材力學(xué)性能和金相組織的影響,得出以下結(jié)論:

1)采用粗軋14.6-2.0 mm、中軋2.0-1-0.68 mm及精軋0.68-0.5 mm的軋制工藝制備的C5071青銅帶材表面光滑平整,無(wú)明顯缺陷。帶材軋至成品厚度后抗拉強(qiáng)度為520 MPa,延伸率為9.4%,硬度為165 HV。

2)中軋帶材在氣墊式退火爐以25 m/min速度加熱至600 ℃退火后,金相組織均勻,平均晶粒尺寸為9 μm,抗拉強(qiáng)度為375 MPa,延伸率為42%。

3)C5071帶材成品經(jīng)230 ℃×3.5 h退火后力學(xué)性能均位于技術(shù)指標(biāo)中間范圍,允許波動(dòng)范圍大,同時(shí)金相組織均勻,晶粒較小。