基于鍛軋成形工藝的KFC異型銅帶組織性能研究

韓振斌　趙昭　于國軍　劉冬　藺永花　齊蕭天　楊述天　劉建斌

〔摘 要〕研究了KFC熱軋合金帶坯在鍛軋工藝制備異型銅帶過程中，通過冷鍛、在線退火和軋制等工藝處理后內部組織的演變規律，并采用金相顯微鏡、電導率測試儀、維氏硬度儀及拉伸試驗等檢測了產品的綜合性能指標。結果表明，帶坯在冷鍛加工率為69.45%時，帶材薄料區域處晶粒不斷細化，內部產生大量位錯帶，加工硬化作用顯著，帶材的強度、硬度增大。對鍛軋材料進行固溶退火處理后，晶粒不斷加粗，且部分FeCu4固溶物質轉變為Fe相的Cu相。經過鍛軋復合加工，材料的總形變量為74.79%，其抗拉強度和硬度由熱軋態的289 MPa和65.3HV提升至336 MPa和112HV，電導率由85.12%IACS提升至89.23%，折彎次數在5次以上，展現出優異的綜合性能。

〔關鍵詞〕鍛軋；異型銅帶；晶粒；綜合性能

中圖分類號：TG166.2? ?? 文獻標志碼：A? 文章編號：1004-4345（2024）02-0020-05

Study on Structure and Performance of KFC Special-shaped Copper Strip Based on Forging and Rolling Composite Forming Technology

HAN Zhenbin1，ZHAO Zhao2，YU Guojun1，LIU Dong1，LIN Yonghua1，QI Xiaotian1，YANG Shutian1，LIU Jianbin1

（1. Jinchang Niedu Mining Industrial Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737100， China;

2. Jinchuan Group Copper Industry Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737100， China）

Abstract? The evolution of the internal structure of hot-rolled flat strip billet after cold forging， online annealing and rolling in the process of preparing special-shaped copper strip by forging and rolling was studied， and the comprehensive performance of the product was tested by metallographic microscope， conductivity tester， vickers hardness tester and tensile test. The results show that when the cold forging processing rate of the strip billet is 69.45%， the grain at the thin strip area is continuously refined， and a large number of dislocation belts are generated inside， the work hardening effect is significant， and the strength and hardness of the strip increase sharply. After solution annealing of the forged material， the grain continues to increase， and part of the FeCu4 solid solution material is transformed into Fe phase and cuphase. After forging and rolling composite processing， the total shape variable of the material is 74.79%， its tensile strength and hardness are increased from 289 MPa and 65.3HV in hot-rolled state to 336 MPa and 112HV， the conductivity is increased from 85.12% IACS to 89.23%， and the number of bending times is more than 5， showing excellent comprehensive performance.

Keywords? forging; special-shaped copper strip; grain; comprehensive performance

0 前言

引線框架作為電子元器件所需關鍵基礎材料之一，發揮著導電、散熱和信號傳遞等作用[1-4]。隨著科技信息的不斷迭代更新，電子行業領域逐步向高精尖方向發展，迫使所用電子元器件也必須具備高安全性和穩定性。因此，異型銅帶作為引線框架主要合金基材，須具備尺寸精度高、力學性能優、導電導熱性能強等特點，才能滿足高端電子領域需求[5-7]。一般而言，異型銅帶生產工藝主要包括軋制法和鍛軋法，而鍛軋復合成形工藝因制備的帶材具備晶粒致密，力學性能優異等特點，是目前生產高端異型銅帶的主流工藝[8]。為此，本文結合生產實踐，對鍛軋復合成形工藝生產KFC異型銅帶進行深入研究，并對其內部晶粒組織變化規律、綜合性能等進行分析，為鍛軋復合工藝工業化生產提供實踐依據。

1? ?實驗材料及方法

1.1? 試驗材料及制備方法

試驗材料為KFC熱軋合金平帶坯，厚度為2.38 mm，化學成分見表1所示。

熱軋平帶坯在鍛打力800 kN、鍛壓頻次650 r/min、鍛壓加工率69.75%條件下，通過型模將其冷鍛至異型帶坯，然后以走帶速度為3 m/min，通過800 ℃的感應加熱爐中進行固溶處理，最后在形變量為15.5%雙輥精軋機下，冷軋制備高精度異型銅帶。其工藝流程圖如下所示。

1.2? 試驗設備

加工設備為MWS-S125/5-CAF110-RM160/400型自主研制高頻鍛打自動化生產線；制樣設備有DK77型電火花線切割機、MP-2型拋光機；檢測設備包括PZ-60A型電導率儀、AGS-X-50KN型島津電子式萬能試驗機、Meta-X3DA型三目倒置式金相顯微鏡、TIME402SXV型顯微硬度儀、Apollo XLT型掃描電鏡。

1.3? 試驗方法

分別取熱軋帶坯、冷鍛異型帶坯、熱處理帶坯、軋制材料，對力學性能、金相、硬度及折彎性能進行檢測，研究合金內部組織變化規律和材料綜合性能。１）力學性能測試按照《室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228.1）進行制樣和檢測，每組試驗測試3個樣品，并取平均值。2）金相測試樣品先經粗磨、細磨、清洗、拋光、烘干，精拋后的試樣浸入 FeCl3+HCl+乙醇的浸蝕劑中10 s，然后立即用水沖洗并吹干，在金相顯微鏡下觀察樣品組織。將做完金相的樣品用酒精清洗、烘干后，在掃描電鏡下進行組織形貌觀察。３）硬度測試按《金屬材料維氏硬度試驗》（GB/T 4340—2009）進行制樣和檢測，尺寸為10 mm×10 mm。測試前，樣品表面用1 200目金相砂紙進行拋光，顯微硬度檢測時，荷載為500～1 000 g，加載時間為30 s，測量次數不少于3次。4）折彎性能測試按照《金屬材料彎曲試驗方法》（GB/T 232—2010）進行折彎性能檢測。

2? ?結果與分析

2.1? 金相組織分析

對熱軋帶坯及冷鍛、熱處理、軋制后的帶材，取鍛軋面方向對其內部晶粒組織進行金相檢測，其晶粒演變規律見圖2。

從圖2中可以看出，熱軋帶坯未進行鍛軋加工前，其晶粒直徑較大，隨著對其進行冷鍛作用下，其組織破碎，晶粒不斷細化，內部產生大量位錯帶，加工硬化作用顯著，帶材的強度、硬度急劇增大，平均晶粒尺寸由0.017 mm縮減至0.080 mm。將冷鍛形變后的帶材，通過感應加熱對其進行固溶處理，其晶粒呈現塊狀晶，且不斷增大，經測得晶粒尺寸為0.033 mm。隨之，對上述熱處理的帶材在15.5%的冷軋條件下進行軋制，其晶粒又不斷變小，且沿軋制方向出現明顯的纖維狀組織分布，測得晶粒尺寸為0.011 mm。

2.2? 顯微組織分析

為進一步探究復合工藝下，銅合金中在熱處理過程中第二相的演變規律，采用SEM-EDS進行掃描測試，其測試結果見圖3。

從圖3可以看出，熱軋帶坯在SEM掃描電鏡下，其表面含有大量的顆粒狀物質，為探究其顆粒狀物質，對其進行選點，并采用EDS進行元素含量檢測，測得Fe和P元素比重分別為0.28%和0.63%。然后對冷鍛后在線退火的材料進行顯微觀察，發現其表面也存在顆粒物質，測得Fe和P元素比重分別為0.44%和0.15%，較熱軋帶坯而言，熱處理后的帶材P含量急劇減少，而Fe含量則有所增加。

為明確含量變化的原因，采用XRD進行物相分析，測試結果如圖4所示。

從圖4可知，熱軋帶坯中存在4種物相的衍射峰，分別為Cu基體、CuP2相、FeCu4相和Cu97P3相。通過對坯料冷鍛和固溶處理后，FeCu4的峰強度有明顯降低，且有微弱的Fe相衍射峰產生，說明熱軋坯料在冷鍛后進行熱處理時，銅合金基體中FeCu4固溶體不穩定，導致Fe相不斷析出，這也與EDS元素分析中Fe含量增加結果相一致。此外，熱處理過程中，P元素在高溫狀態下產生氧化，從表面逸出，這也是帶材中P含量急劇減少的主要原因。

2.3? 力學性能分析

對熱軋帶坯及冷鍛、熱處理、軋制后的帶材采用拉力試驗機、維氏硬度儀和渦流式電導率儀進行指標性能檢測，其結果見表2。鍛軋成形工藝帶材力學及導電性能演變規律見圖5。

從表2可以看出，熱軋帶坯通過冷鍛，其抗拉強度由265 MPa提高至376 MPa，維氏硬度由74HV升高至135HV，而延伸率由45%降低至12%，導電率由49.36 MS/m降低至48.35 MS/m。這是因為坯料經過變形加工后，晶粒變得細小，晶體結構更加致密，晶界清晰，具有更高的強度和硬度。而導電率降低則為銅合金帶材在冷鍛作用下，出現位錯、滑移等晶格缺陷，增加了晶界區域占比，形成電流阻礙，影響帶材導電性能[9-12]。隨著對冷鍛后的材料進行熱處理，其抗拉強度和硬度逐步減小，延伸率則逐步變大，其主要原因為：隨著溫度的升高，晶粒不斷增大、晶界面積減少，晶界產生的阻力減小，導致材料的硬度和抗拉強度降低。而受Fe相的析出的影響，致使銅基晶粒與Fe晶粒產生界面，限制電子在材料中的傳輸，從而導致導電率降低。對熱處理后的材料在進行冷軋，發現其抗拉強度由242 MPa提升至336 MPa，維氏硬度則由78HV提高至112HV，這是由于晶粒再次得到細化，增加了晶格缺陷，導致硬度和抗拉性能有所提高。同時，軋制過程中，銅合金中的合金元素更均勻地分布在晶粒中，有效減少晶粒界面和合金元素之間的阻礙，進一步提高了材料導電性能。整體而言，通過鍛軋復合成形工藝，材料的各項性能都得到了提高。

2.4? 折彎性能分析

異型銅帶在沖壓過程中須對薄厚料銜接位置進行折彎處理，因此制備的帶材須進行折彎試驗檢測。折彎檢測參考《金屬材料彎曲試驗方法》（ＧＢ/T 232—2010）及Standard Test Methods for Bend Tes-ting of Material for Ductility：（ASTME 290—22）[13-14]，圖6為異型銅帶材在90°、180°折彎后的形貌對比。

由圖6中可知，當折彎角度為90 °時，管材表面無橘皮現象產生；當帶材折彎180 °時，帶材表面輕微橘皮現象。然后對其在180 °下進行了折彎次數統計，其折彎次數可達5次以上，表現出優良的折彎特性，其性能指標符合產品使用要求。

3? ?結論

綜上，鍛軋復合成形工藝生產異型銅帶時的性能指標為：1）其晶粒在冷鍛條件下，由0.017 mm，縮減至0.080 mm，在對其進行固溶處理，晶粒則長大至0.033 mm。隨后對其進行精冷軋，其晶粒又不斷變小至0.011 mm，且沿軋制方向出現明顯的纖維狀組織。2）由于冷鍛后對帶坯進行在線熱處理，使得熱軋帶坯中FeCu4相，在高溫狀態下不穩定，進而生產Fe相并不斷析出。3）在冷鍛過程中，其抗拉強度和硬度急劇增大，而延伸率和電導率則不斷減小。后通過熱處理手段，其抗拉強度、硬度和電導率降低，延伸率不斷增大，后在冷精軋條件下，材料的力學性能和導電性能都有所提升，展現出優異的綜合性能。4）在90 °和180 °折彎測試時，無裂紋產生。銅帶材在折彎１８０ °且次數在5次及以上，具有良好的折彎特性，滿足客戶使用要求。

參考文獻

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收稿日期：2023-03-27

基金項目：甘肅省科技重大專項項目（項目編號：2022-0101-GXC-0081）；甘肅省聯合科研基金重點項目（項目編號：23JRRC0017）

作者簡介：韓振斌（1992—），男，工程師，主要從事有色金屬板帶壓延加工。