微量F e對半連續(xù)鑄造錫青銅組織性能的影響

苑和鋒，肖翔鵬，陳輝明，孫定煊，沈立邦

（1.寧波興業(yè)盛泰集團有限公司，浙江 寧波 315300；2.江西理工大學工程研究院，江西 贛州 341000；3.寧波興業(yè)鑫泰新型電子材料有限公司，浙江 寧波315336）

0 引 言

隨著電子、通訊、儀表及汽車行業(yè)的高速發(fā)展，接插件、連接器用錫磷青銅帶材的需用量劇增，質(zhì)量要求也不斷提高.因此對高精度錫磷青銅的綜合性能提出了更高的要求，要求其具有更高的強度及彈性性能，因此，對高精度錫磷青銅產(chǎn)品品種的開發(fā)在不斷拓展，由開始單一的QSn6.5-0.1（C5191）發(fā)展至低錫磷青銅QSn4-0.3（C5111）和高錫磷青銅 QSn8-0.3（C5210）、QSn10-0.3（C5240）等多個牌號[1-5].目前，提高合金的性能依舊停留在提高錫的含量和如何抑制水平連鑄過程中錫的偏析問題上.一般錫磷青銅如具有好的彈性性能，需對其添加高的Sn含量，國內(nèi)常規(guī)生產(chǎn)的錫磷青銅如 QSn8-0.3、QSn6.5-0.1、QSn4-0.3 中，含Sn量最少的也有4%，目前金屬Sn的價格昂貴，Sn含量的增加使得材料整體成本上漲，而且銅合金中Sn含量較高時，Sn在銅中極易形成偏析，生產(chǎn)中一般只能采用水平連鑄+均勻化退火的方式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率及整體成材率均較低.因此，本研究提出了如何在降低錫含量的基礎上，保持原有合金的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方法[6-10].

1 實驗方法

實驗用材料為低錫青銅合金半連續(xù)鑄錠，材料的質(zhì)量分數(shù) Sn：1.8%～2.2%，P：0.05%～0.08%，Ni：0.1%～0.3%，F(xiàn)e：0.05%～0.08%，余量為 Cu.鑄錠經(jīng)900±50℃保溫3～5 h后，熱軋得到厚度為15 mm的板坯，隨后噴淋冷卻處理.隨后銑面、初軋變形量在80%以上，而后鐘罩退火，退火溫度400～600℃，保溫4～6 h，觀察其組織，測量其力學性能，以研究不同退火制度下對合金性能的影響.隨后對未添加Fe元素和添加Fe元素的低錫青銅進行抗軟化實驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 相圖計算

所研發(fā)低錫強化磷青銅合金參數(shù)的優(yōu)化過程是在 Thermo-Calc和 Pandat軟件中根據(jù) Cu-Sn、Cu-Fe和Cu-P二元系熱力學解析結(jié)果和文獻所作的銅基合金熱力學數(shù)據(jù)庫中的熱力學參數(shù)所進行的.依據(jù)優(yōu)化的熱力學參數(shù)，對Cu-Sn-P、Cu-Sn-Fe三元合金進行相平衡計算，其中，常溫態(tài)的Cu-6.5Sn-0.3P三元相圖、Cu-6.5Sn相轉(zhuǎn)變以及Cu-2Sn-0.1Fe相轉(zhuǎn)變見圖1富銅區(qū)等溫截面相圖的計算結(jié)果.

圖1是通過相圖計算軟件Panda計算出的常溫態(tài)的Cu-6.5Sn-0.3P三元相圖，可見在Cu角主要存在Cu3P相、Cu3Sn相以及Cu6Sn5相.

圖1 常溫態(tài)的Cu-6.5Sn-0.3P三元相圖

圖2（a）是通過相圖計算軟件Panda計算出的Cu-6.5Sn不同磷含量不同溫度下其相轉(zhuǎn)變的規(guī)律，將低溫段放大如圖2（b）所示，可見脆性相Cu3Sn在250℃附件才全部回到固溶體中.

圖2 Cu-6.5Sn相轉(zhuǎn)變

圖3（a）是通過相圖計算軟件Panda計算出的Cu-2Sn-0.1Fe不同磷含量不同溫度下其相轉(zhuǎn)變的規(guī)律，將低溫段放大如圖3（b）所示，可見脆性相在60℃左右全部回溶到Cu基體中，而FeCu與P的中間相抑制了Cu3Sn從基體中的析出.

2.2 鑄造組織

圖4所示為不同鐵元素含量的銅合金鑄錠宏觀組織照片.

可以看出鐵元素的加入起到了明顯的細化晶粒的作用，柱狀晶明顯減少，降低了因柱狀晶產(chǎn)生的組織應力，使后續(xù)的加工性能有所提高[11-12].

圖5所示為不同鐵元素含量的樣品分別在不同溫度下保溫0.5 h后的顯微組織照片.

由圖5可以看出，鐵元素的加入阻礙了晶粒的長大.根據(jù)Hall-Petch經(jīng)驗公式：

圖3 Cu-2Sn-0.1Fe相轉(zhuǎn)變

圖4 鑄錠宏觀組織

圖5 顯微組織

晶粒越細小，材料屈服強度越高.由于鐵元素在銅中的溶解度低，在冷卻過程中會析出，通常與銅合金中的磷元素形成彌散第二相，從基體中析出的第二相增加了再結(jié)晶溫度，同時通過釘扎位錯和阻礙晶界遷移來達到強化效果[13-15].

2.3 加工工藝

帶材在冷軋過程中會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，加工硬化的機理是隨塑性變形而進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割加劇，結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯纏結(jié)等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度[16-18].經(jīng)實驗得出該合金加工硬化曲線如圖6所示.可見，該合金在40%變形后，延伸率及抗拉強度都不再發(fā)生明顯變化.

圖6 低錫強化磷青銅合金加工硬化曲線

圖7是QSn6.5-0.1合金與所研發(fā)低錫強化磷青銅合金的高溫軟化曲線，可見，合金均在400℃左右發(fā)生軟化，說明雖然所研發(fā)低錫強化磷青銅合金的錫含量明顯降低，但其軟化性能并沒有明顯變化，高溫強度仍具有可靠性，可以對高溫下使用的高錫含量磷青銅合金進行替代.

經(jīng)過冷加工的帶材會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，當加工率達到一定值時，強度和硬度迅速提高，塑性迅速下降，無法再進行冷加工，因此必須在冷加工過程中進行中間退火，以降低其強度和硬度，提高塑性，為后續(xù)加工做準備.實驗過程中，對試樣進行600℃保溫4 h退火處理后，與經(jīng)過500℃保溫4 h退火處理的試樣作比較，其金相照片如圖8所示.

可以看出，經(jīng)過600℃退火的試樣晶粒粗大，其抗拉強度為304 MPa，延伸率為47%；經(jīng)500℃退火的試樣晶粒相對細小，其抗拉強度為343 MPa，延伸率為45%.

經(jīng)研究和實驗，得到1.0 mm的帶材經(jīng)過50%加工率后在各溫度退火的性能曲線，如圖9所示.

圖7 軟化曲線

圖8 不同退火溫度的金相組織

圖9 不同溫度退火的性能曲線

3 結(jié) 論

1）通過相圖計算，錫青銅中脆性相Cu3Sn在250℃附近才全部回到固溶體中，而添加Fe后的低錫青銅中脆性相在60℃左右全部回溶到Cu基體中，F(xiàn)eCu與P的中間相抑制了Cu3Sn從基體中的析出.

2）鐵元素的加入起到了明顯的細化晶粒的作用，柱狀晶明顯減少，降低了因柱狀晶產(chǎn)生的組織應力，使后續(xù)的加工性能有所提高.

3）通過對QSn6.5-0.1和低錫含鐵青銅的抗軟化性能測試，發(fā)現(xiàn)低錫含鐵青銅的軟化溫度與QSn6.5-0.1合金相當（都在400℃發(fā)生軟化），在高溫條件下可以替代QSn6.5-0.1合金.

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