退火工藝對Cu-8Sn-0.3P合金帶材組織性能的影響

謝 鷺

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031）

導(dǎo)電彈性元件的連接器是電器終端之間連接與分離的功能元件，是電子器件的重要組成部分，其關(guān)鍵零件是接觸件，又稱接插元件，90%使用銅及銅合金，涉及的銅材品種中主要是高精度錫磷青銅帶材，它同時(shí)具備較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的物理性能。錫磷青銅通過Sn、P元素的合金強(qiáng)化作用及冷加工硬化可獲得較好的電學(xué)及力學(xué)機(jī)械性能，易加工沖制成各種復(fù)雜形狀的彈性元件。它不僅具有優(yōu)良的彈性性能，還具有耐腐蝕、耐磨、無磁性的特點(diǎn)，是目前銅基彈性合金材料中用量最大、用途最廣的彈性材料。錫磷青銅接插件產(chǎn)品狀態(tài)集中在H、EH和SH，目前從低錫C5110(Sn4%)到高錫C5210(Sn8%)的錫磷青銅都被大量應(yīng)用。

錫磷青銅板帶坯采用水平連鑄生產(chǎn)，由于Sn元素存在著宏觀的反偏析和微觀的枝晶偏析，使得材料塑形變形能力不均勻，變形時(shí)容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。因此，水平連鑄帶坯在開軋前，必須進(jìn)行長時(shí)間均勻化退火，退火后枝晶偏析消失，鑄坯晶粒細(xì)化，改善帶坯的偏析和疏松，提高帶材的成品率。

錫磷青銅帶坯一般采用冷軋開坯，經(jīng)多次冷軋和中間退火后，制成不同厚度的帶材。由于錫磷青銅銅帶易發(fā)生加工硬化效應(yīng)，在冷加工生產(chǎn)過程中需進(jìn)行多次中間退火，生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)成本高。本文以Cu-8Sn-0.3P合金為研究對象，研究不同退火工藝對Cu-8Sn-0.3P合金組織性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 合金成分

在《加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分》（GBT 5231-2012）中，Cu-8Sn-0.3P合金牌號中 Sn含量范圍比較寬，在7.0%～9.0%之間。本實(shí)驗(yàn)擬選定市場上需求量大的合金品種作為研究對象。其主要合金元素檢測結(jié)果，見表1。

表1 Cu-8Sn-0.3P合金主要合金元素檢測結(jié)果 %

1.2 加工工藝及主要工藝參數(shù)

1）加工工藝。其工藝流程如下：配料—熔煉—水平連鑄—均勻化退火—銑面—冷粗軋—中間退火—留底軋制—留底退火—成品軋制—脫脂、清洗、鈍化處理—拉伸彎曲矯直—低溫退火—清洗、鈍化處理—質(zhì)量檢驗(yàn)等。

2）水平鑄造參數(shù)。其重要參數(shù)如下：澆鑄溫度（1 180±10）℃，鑄造速度 159 mm/min，水壓 0.4 MPa，鑄坯出口溫度380℃。

1.3 主要試驗(yàn)檢測設(shè)備

主要試驗(yàn)檢測設(shè)備采用CMM-66Z光學(xué)顯微鏡，GDA 750輝光光譜儀，ARL-4460直讀光譜儀，Agilent ICP，AG-IC電子拉力試驗(yàn)機(jī)，HXS-1000A數(shù)字式顯微硬度計(jì)，Axiovert 40 MAX金相顯微鏡。

2 不同退火工藝對合金組織的影響

2.1 均勻化退火工藝對組織的影響

1）均勻化退火溫度。在570～730℃之間對Cu-8Sn-0.3P鑄坯均勻化退火，退火時(shí)間為8 h。圖1為均勻化溫度對Cu-8Sn-0.5P鑄坯顯微組織的影響，圖2為均勻退火溫度對Sn元素分布的影響。

圖1 均勻化退火溫度對鑄坯顯微組織的影響

圖2 均勻化退火溫度對Sn元素分布的影響

由圖1可知，570℃×8 h退火合金依然為枝晶組織，600℃×8 h均勻化退火后就可消除枝晶組織，得到等軸晶粒。隨著退火溫度的升高，晶粒明顯長大，同時(shí)孿晶結(jié)構(gòu)愈加發(fā)達(dá)，在730℃時(shí)，晶界明顯粗化，表明溫度過高，引起晶界局部熔化。

由圖2可知，Cu-8Sn-0.3P鑄坯上下表面存在顯著的反偏析，均勻化退火可以減輕反偏析的程度，隨著退火溫度的升高，反偏析程度降低，但不能消除反偏析。

2）均勻化退火時(shí)間。實(shí)驗(yàn)選擇在670℃下退火為8～24 h。圖3為均勻化退火時(shí)間對Sn元素分布的影響，圖4為均勻化退火時(shí)間對Cu-8Sn-0.3P鑄坯顯微組織的影響。

圖3 均勻化退火時(shí)間對Sn元素分布的影響

圖4 均勻化退火時(shí)間對Cu-8Sn-0.3P鑄坯顯微組織的影響

由圖3可知，Cu-8Sn-0.3P鑄坯上下表面存在顯著的反偏析，均勻化退火可以減輕反偏析的程度，隨著退火時(shí)間的延長，反偏析程度降低，但不能消除反偏析。

由圖4可知，經(jīng)退火8 h后，延長退火時(shí)間對Cu-8Sn-0.3P合金組織晶粒大小沒有明顯的影響。由于晶粒長大給軋制時(shí)各晶粒協(xié)調(diào)變形增加困難，孿晶結(jié)構(gòu)也會阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動提高變形的阻力。

因此，均勻化溫度不宜過高，時(shí)間不宜過長[1]。對于合金均勻化工藝一般可以選擇在600～680℃、6～8 h，提高溫度可以適當(dāng)縮短退火的時(shí)間。

2.2 中間退火（再結(jié)晶退火）工藝對組織性能的影響

Cu-8Sn-0.3P合金帶材冷軋過程都要進(jìn)行中間退火，中間退火可以起到兩方面的作用，既可以消除加工硬化，又可以起到調(diào)節(jié)帶材晶粒大小的作用，從而調(diào)節(jié)帶材的性能[2]。中間退火的溫度對帶材的組織和性能有很大影響。溫度太低，軟化不充分，影響后續(xù)加工；溫度太高，晶粒發(fā)生長大，晶粒粗大，對帶材的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。圖5為中間退火溫度對合金顯微組織的影響。該試樣經(jīng)80%變形率軋制至厚度 2.0 mm，中間退火（2 h）后軋制至 0.4 mm，最后經(jīng)200℃（90 min）低溫退火。中間退火溫度對Cu-8Sn-0.3P帶材性能的影響如圖6所示。

圖5 中間退火溫度對Cu-8Sn-0.3P合金顯微組織的影響×200

圖6 中間退火溫度對Cu-8Sn-0.3P帶材性能的影響

由圖5可知，經(jīng)450℃×2 h退火后再結(jié)晶比較完全。隨著退火溫度的升高，由于晶粒顯著長大。晶粒長大影響后續(xù)軋制時(shí)晶粒變形的協(xié)調(diào)性，因此中間退火溫度不宜過高，應(yīng)該控制在550℃左右。

由圖6中可知，隨著中間退火溫度的升高，Cu-8Sn-0.3P帶材的強(qiáng)度和硬度降低，塑性(延伸率)先升高，后降低，原因是溫度過高，晶粒粗大，變形協(xié)調(diào)困難，導(dǎo)致塑性降低。比較理想的中間退火溫度應(yīng)控制在 500～550 ℃(2 h)。

2.3 低溫退火工藝對組織性能的影響

Cu-8Sn-0.3P是一種低溫退火型合金，經(jīng)低溫處理后，其硬度、抗拉強(qiáng)度略低于處理前，但延伸率明顯提高，同時(shí)疲勞強(qiáng)度和彈性性能也可以得到改善[3]。對經(jīng)二次中間退火軋制后的Cu-8Sn-0.3P帶材進(jìn)行了低溫退火實(shí)驗(yàn)，分別測試了160～240℃區(qū)間退火溫度對帶材硬度的影響。另外還研究了在220℃退火時(shí)間對帶材力學(xué)性能的影響。圖7為低溫退火溫度對Cu-8Sn-0.3P帶材金相組織的影響，圖8為低溫退火對Cu-8Sn-0.3P合金性能的影響。

圖7 低溫退火溫度對Cu-8Sn-0.3P合金帶材金相組織的影響

圖8 低溫退火對合金性能的影響

由圖7可知，低溫退火對合金的顯微組織沒有明顯的影響。

由圖8可知，隨著退火溫度的升高，Cu-8Sn-0.3P合金的硬度下降。隨著退火時(shí)間的延長，開始硬度下降比較快，超過90 min后，硬度下降很慢，基本保持平穩(wěn)。合金退火前，延伸率在4%左右，220℃退火，超過60 min，帶材的延伸率可達(dá)到10%以上。低溫退火工藝可以根據(jù)產(chǎn)品性能要求，在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

1）合金均勻化工藝一般可以選擇在600～680℃、（6～8 h），提高溫度可適當(dāng)縮短退火時(shí)間。

2）比較理想的中間退火溫度應(yīng)控制在500～550℃(2 h)。

3）退火前，Cu-8Sn-0.3P合金延伸率在4%左右，經(jīng)低溫退火（220℃），超過60 min，帶材的延伸率可達(dá)到10%以上。低溫退火工藝可以根據(jù)最終產(chǎn)品性能要求，在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。