劉羽飛，趙久輝，熊哲思，舒 良，孫佳明

（江西銅業(yè)集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

JCC-6M-T合金是Cu-Ni-Sn系列合金。通常，Cu-Ni-Sn合金為Ni含量和Sn含量均大于5%替代鈹銅的材料［1-3］。本文研究的JCC-6M-T合金中Ni含量小于1%，Sn含量不大于2%，還加入了少量的P［4-5］。目前JCC-6M-T合金在市場上有較多應(yīng)用，比如用在手機散熱片和引線框架上。該合金帶材通常經(jīng)過蝕刻后才制備成最終成品。相對于引線框架中大量使用的Cu-Fe-P合金帶材，JCC-6M-T具有更高的力學(xué)性能和抗高溫軟化溫度［6-9］，能達到高檔次引線框架的性能要求。JCC-6M-T合金相較于高端引線框架常用材料Cu-Ni-Si（C7025）合金帶材，其綜合性能更差［10-12］，但國內(nèi)Cu-Ni-Si合金帶材的較低成材率限制了其更大范圍的應(yīng)用。JCC-6M-T合金帶材在市場上有其獨特的優(yōu)勢，因此，通過不斷提高其性能及質(zhì)量，該合金帶材未來的市場前景將更加廣闊。

目前，國內(nèi)對于JCC-6M-T合金帶材的研究較少，主要集中在研究水平連鑄、多道次冷軋和退火方式等制備工藝研究。本文重點探討了通過優(yōu)化水平連鑄、軋制和去應(yīng)力退火工藝，來改善該合金帶材的微觀組織、板型及力學(xué)性能的規(guī)律。

2 實驗方法和步驟

2.1 JCC-6M-T化學(xué)成分的確定

根據(jù)工藝設(shè)計要求，JCC-6M-T合金成分如表1所示，主成分為Cu、Ni、Sn，還含有少量的Fe、P、Al，其中Ni質(zhì)量百分比含量為0.6-0.8%，Sn質(zhì)量百分比含量為1.5-1.7%。

表1 JCC-6M-T銅合金實際化學(xué)成分檢測結(jié)果 %

2.2 生產(chǎn)工藝流程

配料后進行JCC-6M-T合金帶材的水平連鑄，對16mm厚的鑄坯上下表面進行銑面，銑面至厚度14.5mm，銑面后進行粗軋和中間退火，后續(xù)進行清洗、中軋和重纏，之后在鐘罩爐中再次進行中間退火，中間退火后在二十輥精軋機上進行預(yù)精軋和在氣墊爐中進行退火和清洗，退火后進行精軋、清洗、拉彎矯直、去應(yīng)力退火、剪切和包裝。具體生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 制備JCC-6M-T合金帶材生產(chǎn)工藝流程圖

2.3 各項技術(shù)指標檢測方法

對于不同工藝制備的JCC-6M-T合金帶材，通過線切割取得帶材金相、室溫拉伸和硬度試樣，觀察其金相組織，測試室溫拉伸性能和硬度。采用帶引伸計的DDL100型萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度設(shè)置為2mm/min，試驗機自動記錄載荷、位移數(shù)據(jù)，實驗測量抗拉強度及延伸率。維氏硬度采用硬度測試儀器華銀200HVS-5數(shù)顯硬度計進行測試，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個數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值后取平均值作為試驗的硬度值。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 水平連鑄工藝對鑄坯組織的影響

實驗對比了3種不同工藝的水平連鑄試樣，如表2所示。水平連鑄工藝一的鑄造溫度為1170～1180 ℃，鑄造速度為150 mm/min；水平連鑄工藝二鑄造溫度為1180～1190℃，鑄造速度為160 mm/min；水平連鑄工藝三鑄造溫度為1190～1200 ℃，鑄造速度為170 mm/min。

表2 不同的水平連鑄工藝

實驗主要研究鑄造溫度和鑄造速度對鑄坯微觀組織及結(jié)晶線的影響。圖2所示為3種水平連鑄工藝鑄造的鑄坯截面的低倍組織。由圖可知，三種工藝制備的鑄坯晶粒尺寸相差不大，均為長度10mm左右、寬度3mm左右的沿著厚度方向的長條狀晶粒。不同工藝鑄造的鑄坯晶粒均是由上下表面向鑄坯中心生長，但工藝不同對晶粒中心線有影響。工藝一中晶粒中心線相對于鑄坯中心位置向上偏移3mm，工藝三晶粒中心線相對于鑄坯中心位置向下偏移2mm，工藝二中心線基本與鑄坯中心位置重合。產(chǎn)生以上差異的主要原因是：當鑄造溫度及鑄造速度適中，帶材上下表面冷區(qū)均勻，上下表面金屬在凝固過程中基本處于同時凝固，金屬液在結(jié)晶時最外表面最先結(jié)晶，隨著外表面金屬液溫度的降低，結(jié)晶線逐步向中部延伸，最后上下表面金屬液同時在鑄坯中部完成最終結(jié)晶。

圖2 水平連鑄3種工藝鑄造的鑄坯截面低倍組織

圖3所示為3種水平連鑄工藝鑄造鑄坯的表面低倍組織。由圖可知，三種工藝鑄造的鑄坯晶粒組織有所差別。采用工藝一鑄造的鑄坯晶粒組織基本為等軸晶，晶粒尺寸不均勻，鑄坯內(nèi)分布著較多30mm左右的粗大晶粒和尺寸小于10mm的細晶。采用工藝二鑄造的鑄坯基本為大小均勻的等軸晶，平均晶粒尺寸最小，約為10mm左右。采用工藝三鑄造的鑄坯包含了較多長軸晶和細小的等軸晶。

圖3 水平連鑄3種工藝鑄造的鑄坯表面低倍組織

圖4所示為采用3種水平連鑄工藝鑄造鑄坯的結(jié)晶線。采用工藝一鑄造鑄坯的結(jié)晶線高度約為80mm，采用工藝二鑄造鑄坯的結(jié)晶線高度約為50mm，采用工藝三鑄造鑄坯的結(jié)晶線混亂，主要原因為金屬液在凝固過程中，結(jié)晶器本身結(jié)構(gòu)及錫磷青銅結(jié)晶溫度范圍寬，邊部金屬液的冷卻速度大于中部，結(jié)晶時間更短，宏觀上表現(xiàn)為結(jié)晶線邊部前移，呈現(xiàn)弧形狀，當鑄造速度過快或者過慢時，會加劇冷卻強度不均勻性的產(chǎn)生，從而造成結(jié)晶線高度偏高或者結(jié)晶線混亂。

圖4 水平連鑄3種工藝鑄造的鑄坯結(jié)晶線

為獲得晶粒細小、內(nèi)部組織均勻的鑄坯，適合采用工藝二進行水平連鑄，即控制鑄造溫度1180～1190℃，鑄造速度為160mm/min。

3.2 軋制工藝對帶材組織、性能和板型的影響

為了研究軋制工藝對板帶材組織、性能和板型的影響。采用了3種不同的軋制工藝進行試驗，如表3所示。從軋制工藝一至工藝三，逐漸減少粗軋變形量，增加精軋變形量，主要研究軋制工藝對板型、晶粒組織、力學(xué)性能的影響。

表3 不同的軋制工藝

圖5所示為三種不同軋制工藝精軋后的金相，在預(yù)精軋退火后形成的等軸狀晶粒組織，繼續(xù)經(jīng)過

圖5 三種工藝精軋后的金相

精軋形成了晶粒組織均勻的長軸狀晶粒。三種工藝精軋后的晶粒組織差別不大，工藝三精軋前冷變形程度最小，導(dǎo)致精軋前內(nèi)部儲能最小使得精軋前退火時形成了最大的晶粒組織（再結(jié)晶形核點最少），因此精軋后的長軸晶粒也最大，工藝三精軋變形程度最大，使得精軋后晶粒組織破碎程度最大。工藝一和工藝二精軋后也形成了組織均勻的長軸狀晶粒，平均晶粒尺寸在10μm左右。

圖6所示為3種不同軋制工藝精軋至0.16mm后帶材板型。采用工藝二軋制的帶材版面平直，采用工藝一和工藝三軋制的帶材表面均出現(xiàn)明顯的內(nèi)浪和邊浪。采用工藝一前期退火之前冷軋變形程度過大，造成板型不良，并傳遞至精軋工序；采用工藝三后期精軋變形程度過大造成板型不良；采用工藝二制備的帶材表面板型良好，軋制工藝設(shè)置合理。

圖6 三種工藝精軋后板型

表4所示為3種工藝精軋后的維氏硬度、室溫拉伸抗拉強度和延伸率，三種工藝精軋后各項性能差別不大，精軋后的最終性能主要與精軋時變形程度相關(guān)。采用工藝一精軋后抗拉強度為563MPa，延伸率為3%，維氏硬度為181 N/mm2；采用工藝二精軋后抗拉強度增加至565MPa，延伸率降低至2.5%，維氏硬度增加至182 N/mm2；采用工藝三精軋后抗拉強度進一步增加至570MPa，延伸率降低至1%，硬度為184 N/mm2。

表4 三種工藝精軋帶材性能

JCC-6M-T鑄坯采用3種軋制工藝制備了0.16mm厚帶材。3種工藝制備帶材的晶粒組織和各項性能差別不大，但只有采用軋制工藝二才能獲得良好的板型，因此適合采用軋制工藝二制備JCC-6M-T合金帶材。

3.3 去應(yīng)力退火工藝對帶材性能和蝕刻的影響

采用水平連鑄工藝二鑄造制得鑄坯后，以軋制工藝二進行軋制及中間退火，接著以不同的工藝條件進行去應(yīng)力退火，如表5 所示

表5 不同去應(yīng)力退火工藝

表6所示為3種工藝條件去應(yīng)力退火后的室溫拉伸強度、斷后延伸率和硬度，相對于精軋后的性能，不同條件下，去應(yīng)力退火后抗拉強度和硬度有所下降，延伸率有所上升。工藝一在氣墊爐中以500℃、帶材卷取速度70m/min條件進行退火，退火后抗拉強度為560MPa，延伸率為3.5%，硬度為180 N/mm2。工藝二在氣墊爐退火溫度500℃不變，帶材卷取速度降低至60m/min后增加了退火時間，去應(yīng)力退火后抗拉強度下降至551MPa，硬度下降至174 N/mm2，而延伸率增加至10.5%。采用工藝三在鐘罩爐中以230℃保溫3.5h進行去應(yīng)力退火后力學(xué)性能最低，而延伸率最高，去應(yīng)力退火后抗拉強度為542MPa，硬度為174 N/mm2，延伸率為18.9%。

表6 3種工藝去應(yīng)力退火后帶材性能

精軋的0.16mm厚JCC-6M-T合金帶材用來蝕刻制備均熱板。為了保證帶材蝕刻后不會因為殘余應(yīng)力過大而發(fā)生翹曲，需要進行去應(yīng)力退火消除殘余應(yīng)力。圖7所示為采用3種不同工藝去應(yīng)力退火的帶材經(jīng)過蝕刻后的樣品，采用工藝一通過氣墊爐在500℃、退火速度70m/min條件下進行退火后，蝕刻產(chǎn)品依然發(fā)生翹曲，內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力；采用工藝二保持退火溫度不變，降低退火速度至60m/min，增加退火時間消除帶材內(nèi)部殘余應(yīng)力，蝕刻后產(chǎn)品表面平直未發(fā)生翹曲；工藝三在鐘罩爐230℃保溫3.5h進行去應(yīng)力退火，退火后的帶材蝕刻后依然發(fā)生翹曲，內(nèi)部殘余應(yīng)力依然較大。

圖7 三種工藝去應(yīng)力退火及蝕刻后的樣品

為了保證去應(yīng)力退火的JCC-6M-T帶材蝕刻后，其表面平直滿足使用要求，需要采用工藝二進行去應(yīng)力退火。

4 結(jié)論

本文主要研究全流程制備用于蝕刻的JCC-6M-T合金帶材，研究了水平連鑄工藝對鑄坯組織的影響，軋制工藝對帶材組織、性能和板型的影響，以及去應(yīng)力退火對帶材蝕刻后翹曲的影響。主要結(jié)論如下：

（1）JCC-6M-T水平連鑄時鑄造溫度為1180-1190℃、拉鑄速度為160 mm/min時，制備的鑄坯橫截面晶粒居中，結(jié)晶線高度為40mm，晶粒組織均勻；降低鑄造溫度至1170-1180℃和拉鑄速度至150 mm/min后，橫截面晶粒組織向鑄坯中心位置向上偏移3mm，結(jié)晶線高度80mm；增加鑄造溫度至1190-1200℃和拉鑄速度至170 mm/min后，橫截面晶粒組織向鑄坯中心位置向上偏移2mm，結(jié)晶線混亂。

（2）采用粗軋14.5-1.5mm，中軋1.5-0.6mm，預(yù)精軋0.6-0.3mm，精軋0.3-0.16mm軋制工藝制備的JCC-6M-T合金帶材表面平直，板型良好，精軋后抗拉強度為565MPa，延伸率為2.5%，維氏硬度為182 N/mm2。

（3）精軋后的JCC-6M-T合金帶材在氣墊爐500℃(退火速度60m/min)進行去應(yīng)力退火后進行蝕刻，蝕刻后產(chǎn)品表面平直；該合金帶材在氣墊爐500℃退火，退火速度增加至70m/min后，蝕刻后產(chǎn)品表面翹曲，帶材依然存在較大應(yīng)力；該帶材采用鐘罩爐在230℃保溫3.5h去應(yīng)力退火后進行蝕刻，蝕刻后產(chǎn)品表面依舊發(fā)生翹曲。