超薄高性能錫磷青銅帶材的生產工藝

中圖分類號： TG146.1+1 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4345（2025）02-0011-05

Production Process for Ultra-Thin High-Performance Tin-Phosphor Bronze Strips

TIAN Juntao

（China Nerin Engineering Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi 33Oo38，China）

Abstract Thepaper makesastudyof the keyproduction processof ultra-thin high-performance tin-phosphor bronze strip （C5210alloy）andproposesastrippreparatioprocess withathicknessofO045＼～0.10mmthroughsystematicexperimentsanddata analysis. The results show that the strip products with tensile strength of ?830 MPa and surface hardness of ? HV230 can be obtained by optimizing various procedures and operations，including burdening ratio （outsourced old materials of ?50% ）， smelting and casting （casting temperature of 1 180 C ， casting speed of 155 mm/min）， homogenizing annealing （670 Cx8.5 h） and rough rolling （size of 3.000 mm）， intermediate rolling （size of 1.000mm ）and finish rolling （size of 0.045 mm）， etc.

Keywords ultra-thin; copper strip; tin-phosphor bronze strip; rolling; process

加工工藝及試驗方案

錫磷青銅合金帶材具有高強度、高彈性，優異的耐磨性和抗磁性，同時兼具良好的冷加工性、耐蝕性、焊接性和切削加工性，廣泛應用于彈性元件、精密儀器儀表中的耐磨件和抗磁零件的制造。目前，市場主流產品C5191帶材的厚度規格為 0.15～ 0.30mm 。該型號帶材生產技術成熟，平均加工費約6000元/t。受產能過剩影響，行業競爭加劇，加工費逐年降低。為提高盈利空間，銅加企業正逐步將焦點轉向利用先進設備生產高附加值的超薄錫磷青銅帶材。經市場調研，厚度在 0.045～0.100mm 的超薄C5210帶材，市場加工費約15000元/t。因此，開發0.045～0.100mm 超薄C5210錫磷青銅帶材生產工藝，對豐富產品規格、提升企業效益具有重要意義。

1.1鑄壞試驗方案

本試驗采用T2角料/鍍錫線 + 光亮線 + 青銅銑屑 + 青銅外料 + 青銅回料的原料搭配組合進行鑄坯。熔煉工藝主要參數如下：1）加料順序。陰極銅或舊料 煅燒木炭覆蓋 熔化 添加 1/2P-Cu? 添加錫 添加 1/2P-Cu? 攪拌 升溫 檢驗分析 成分調整 升溫扒渣 煅燒木炭覆蓋 靜置 轉爐。2）合金配料方案。本試驗C5210合金采用了兩種配料方案，具體見表1。3）熔化爐、轉爐溫度。熔化爐、轉爐溫度控制在 1230～1250^°C4 熔體覆蓋。熔化爐采用木炭覆蓋，厚度為 80～100mm ；保溫爐采用木炭覆蓋，厚度為 60～80mm 5）保溫爐液面高度控制。保溫爐內銅液面距爐頂不小于 450mm 。具體參數見表2。

1.2均勻化退火工藝

錫磷青銅合金結晶溫度范圍較寬，其中低熔點的Sn和P元素擴散速度較慢，在合金凝固時易出現嚴重的反偏析現象。因此，在加工該類合金前，需要對其進行均勻化退火處理，以改善合金元素的偏析情況。本試驗對C5210合金鑄坯進行均勻化退火處理的工藝參數見表3。

1.3加工工藝試驗方案

由于帶材越薄，對軋程數、軋制率、精軋道次等方面的要求就高。因此，本研究以厚度為 0.045mm 的C5210合金帶材為試驗對象，研究其加工工藝，以期為厚度在 0.045～0.100mm 范圍內的超薄C5210帶材加工工藝提供參考。

本試驗共設計兩套方案。兩個方案的工序一致，主要區別在于粗軋開坯加工率、精軋加工率不同，以及由此導致的軋程數量不同，具體見表4。

2 主要工序分析與優化

針對上述加工工藝進行分析，并對其主要工序提出優化措施。

2.1配料

行檢測，檢測所得的化學成分結果見表5。

對表1中兩種合金配料方案所鑄C5210壞料進

根據表5可以看出，當外購青銅舊料的添加比例為 40% 時，合金鑄坯各項化學成分指標既符合國家標準，又符合企業內控指標；當添加比例為 50% 時，合金鑄坯化學成分符合國家標準，但P元素含量超出企業內控標準。因此可以認為，在C5210合金鑄壞生產時，原料中外購青銅舊料的添加比例不宜超過 50% ，否則會給合金化學成分控制帶來難度，繼而影響轉爐效率等。

2.2熔煉及鑄造

對外購青銅舊料添加比例分別為 40% 和 50% 的鑄坯進行低倍和高倍組織觀察（見圖1），發現二者宏觀均呈現柱狀晶的特征，且晶粒之間大小差異均較大；微觀均呈現典型的樹枝晶偏析組織特征。即表明，二者鑄壞組織一致，這是鑄造工藝相同的結果。

2.3均勻化退火處理工藝

對外購青銅舊料添加比例分別為 40% 和 50% 的鑄壞進行如表3所示的均勻化退火處理。處理后的低倍顯微組織（20X）和高倍顯微組織（100X）觀察結果見圖2。

由圖2可以看出，低倍顯微組織中柱狀晶已經完全消除，晶粒之間的大小差異顯著降低，分布均勻；高倍顯微組織中，枝晶偏析已經完全消除，均勻化退火充分完全。從均勻化退火處理后的結果來看，外購青銅回料占比 40% 和 50% 的鑄壞組織也基本沒有差異。因此，可以得出初步結論：當外購青銅回料占投料比例不大于 50% 時（其本質是回料中對晶粒大小有影響的雜質元素含量被控制在一定范圍內），其添加比例僅對C5210合金鑄壞化學成分有影響，對鑄壞組織影響很小或幾乎沒有影響。

2.4粗軋加工工藝

如前所述，本試驗在開壞軋制階段，選擇有兩種粗軋開壞加工率：1）方案1，軋制率為 68.9% ，軋制到 4.50mm;2） 方案2，軋制率為 79.3% ，軋制到3.00mm 。分別對兩個方案粗軋開坯的金相組織進行分析，如圖3所示。

由圖3可以看到，在經過較大加工率的軋制后，晶粒的變形流線，且各晶粒之間由于取向不同而有著較為顯著的色差，但二圖并無明顯的組織差異。

經過上述變形后的C5210合金帶壞進行 440^°C× 6h 的中間退火，退火后帶壞金相組織如圖4所示。

退火后的金相組織顯示，加工態的組織變成了回復再結晶組織，晶粒細小均勻。但是粗軋采用方案1的帶材退火后，內部存在較為粗大組織，明顯與周圍不同。而粗軋采用方案2的帶材退火后，內部組織十分均勻，無異常組織。分析認為，這可能是由于均勻化退火后的鑄壞組織晶粒粗大， 68.9% 的開壞加工率并沒有使全部的原始組織充分破碎，粗軋后存在一小部分破碎不完全的組織，經退火后長大；而 79.3% 的開壞加工率可以使原始組織得到充分的破碎，晶粒變形均勻，因此退火后也呈現出較均勻的再結晶組織。

將上述經過退火后的帶壞再次進行粗軋，直至合金帶壞厚度達到 1.00mm ，再進行 440^°C×6.0h 的中間退火。退火后的金相組織如圖5所示。經兩種方案加工至 1.00mm 后的C5210合金退火性能對比見表6。

從表6中可知，兩種方案的性能結果接近。但綜合考慮前述組織金相對比結果，筆者認為C5210合金帶材適合的粗軋工藝為方案2，即先以 79.3% 的軋制率粗軋開壞（軋制率為 79.3% ，軋至 3.00mm ，再經中間退火（ ）后，再粗軋軋至 1.00mm ，再進行2次中間退火（ （440^°C×6.0h ）。

2.5中軋加工工藝

經過粗軋至 1.00mm 的帶坯，中軋至 0.50mm 。

軋制、退火后的金相組織如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，經過 50% 的加工率后，晶粒被壓扁，呈現出明顯的加工流線，但依然能分辨出晶粒。由圖6（b）可以看出，退火后的晶粒細小均勻，經過測量，大部分晶粒尺寸為 4.5～6.0μm 。 0.5mm 合金帶壞退火后力學性能檢測結果見表7。

由表7可知，延伸率作為衡量塑性的指標，控制在 50%～60% 。據此，后續兩次退火之間的冷軋加工率控制在 50% 左右為宜。

2.6 0.045mm 加工工藝

針對目標厚度規格為 0.045mm 的C5210合金，設計并試驗了兩種精軋加工方案，具體見表4。二者主要區別在于，方案2每個軋程的冷軋加工率均大于方案1，且方案2比方案1減少了一個軋程，流程更短。兩種工藝方案留底材料退火組織分別見圖6。

由圖7可知，C5210合金按方案1加工至0.09mm后退火，獲得細小、均勻的回復再結晶組織，晶粒尺寸 lt;10μm ；按方案2加工至 0.10mm 后，退火組織為更加細小、均勻的等軸晶粒，晶粒尺寸 lt;5μm 檢測上述兩種方案退火后的留底C5210合金帶坯性能，具體結果見表8。

由表8可知，方案2留底帶坯抗拉強度和延伸率均優于方案1，分析認為這是退火組織差異在合金力學性能上的顯著表現。

按前述制定的精軋軋制工藝，對C5210合金帶壞進行成品軋制。軋制后性能檢測結果見表9。

由表9可知，采用方案1軋制得到的 0.045mm C5210帶壞抗拉強度 gt;735MPa ，但表面硬度830MPa ，表面硬度gt;HV230。

3結論

綜上所述，針對本次試驗結果的對比分析，可以得到以下結論。

1）厚度為 0.045mm 的C5210合金帶材的生產工藝流程如下：配料（外購舊料添加量 ?50% ） 熔煉鑄造 （1180^°C，155mm/min） 均勻化退火 （670^°C× 8.5h ，鐘罩式退火爐） 銑面 粗軋至 3.000mm （軋制率 79.3% ）→中間退火 中軋至1.000mm 切邊重纏 中間退火 （440^°C×6.0h） 中軋至 0.500mm 精軋（軋至 0.250mm ，軋制率50.0% ）一中間退火（ （700^°C×71m/min ，氣墊式退火爐） 精軋（軋至 0.100mm ） 留底退火（ 500^°C×100 m/min） 精軋（軋至 0.045mm）? 清洗 拉伸彎曲矯直 成品剪切。

2）研究表明，成品加工率（如精軋階段軋制率≥55% ）是影響SH態（硬態）C5210帶材力學性能的核心因素。當加工率充足時，成品抗拉強度為 859MPa ，表面硬度為HV239.5，滿足高端應用需求。

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