C5240铜合金加工过程的组织演变与力学性能*

陈 岩，胡斐斐，刘 昆，林 毅，孙佳明，刘羽飞

（1.江西铜业集团有限公司，江西 南昌 330096；2. 江西铜业技术研究院有限公司，江西 南昌 330096；3.江西铜业集团铜板带有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

锡磷青铜是常用的弹性铜合金，具有更高的耐蚀性、耐磨性和耐疲劳性等综合性能，且其弹性性能较一般铜合金好，被广泛用于电子连接器行业中，如弹性接插件、弹簧、开关等电连接器件，是目前铜基弹性合金材料用途最广的弹性材料［1-2］。锡磷青铜接插件产品状态集中在H、EH和SH，目前从低锡C5111（4%Sn）到高锡C5212（9%Sn）的锡磷青铜都被大量应用，其中用量最大的锡磷青铜带材主要包括C5210和C5191，其含锡量分别为7%和5%［3-4］。

水平连铸是生产锡磷青铜板带的重要生产工艺，具有工序短、生产成本低、设备占地面积小等优点。但在水平连铸过程中，铸坯的温度梯度大，冷却速度快，在凝固过程中易产生偏析、疏松、气孔等缺陷，影响后续加工带材的质量［5-6］。工业上常采用添加稀土和施加电磁搅拌方法，使锡磷青铜铸造组织细化，从而减轻偏析和疏松缺陷［7-9］。锡磷青铜带材一般采用冷轧开坯，铸锭经均匀化退火、多次冷轧和中间退火，轧制成不同厚度的带材。工艺上国内与国外的差别在于均匀化退火与铣面的先后顺序。锡磷青铜加工硬化率非常高，在冷加工生产过程中中间退火次数多，生产周期较长。

随着各种电子连接器件向小型化、长寿命方向迅猛发展，对锡磷青铜带材的表面质量、材料性能提出了更高的要求，如更高的机械性能和弹性、足够的导电性、良好的成型性能以及适宜的可焊性。C5240铜合金可大量用于生产此类要求的弹性接插件，而目前国内该类产品主要依靠进口［10］。本文通过摸索配料和铸造工艺，制备高强高弹C5240铸坯，并进一步通过金相组织观察和能谱分析研究电磁搅拌对C5240合金及Sn元素分布的影响规律。

2 试验部分

2.1 原材料

采用0#电解铜板、纯锡锭、15%的磷铜中间合金，通过精密定量仪器，控制Sn和磷铜中间合金的添加量，最终获得的C5240锡磷青铜其Sn含量为9%，P含量为0.16%，其余含量为Cu。

2.2 熔炼工艺

熔化炉选用耐烧不易破碎的硬质杂木炭为覆盖剂，经过充分煅烧后再投炉覆盖，熔化炉木炭覆盖厚度控制在150mm；流槽和保温炉也选用木炭进行覆盖，木炭的含炭量不得低于99.95%，覆盖前放置在炉旁烘烤2h，石墨鳞片覆盖层的厚度控制在200 mm。熔炼温度控制在1250～1280℃。

2.3 铸造工艺

采用合理的生产工艺，铸造出内部品质和表面质量俱佳的带坯，是生产高性能弹性接插件的重要前提条件。本文经过三种不同拉铸工艺对比实验如表1，确定了最佳的拉铸工艺。同时，为了降低偏析程度和细化晶粒，并加入了电磁搅拌，电磁搅拌的功率为30W，电压为40V。采用优化后的工艺3制备了C5240合金16mm带坯，其表面质量良好，几乎无裂纹（图1）。

表1 不同拉铸工艺参数对比

图1 C5240合金16mm铸坯

2.4 轧制工艺

采用粗轧与精轧，将16mm铸坯轧制到0.5mm带材。粗轧采用国产4辊可逆轧机，往复经过10个道次从16mm轧制到5mm，累计变形量达到68.75%；精轧采用国产6辊可逆轧机，往复经过9个道次从5mm轧制到0.5mm，累计变形量达到90%。为了提高带材的可加工性能，在粗轧与精轧之间采用了中间退火工艺，中间退火主要采用气垫炉。

3 结果与讨论

3.1 电磁搅拌对铸造组织及Sn元素分布的影响

对铸坯的横截面进行低倍金相组织观察，所得结果如图2所示。可见，未电磁搅拌和电磁搅拌的C5240铸坯的横截面都呈现典型的柱状晶区，但是，加入电磁铸造的铸坯其柱状晶得到明显的细化。

图2 低倍铸态金相组织

对根据Cu-Sn二元合金相图［11］可知，含Sn大约为10%的无P锡青铜的凝固温度范围为270℃，而加入了0.15%的P之后，凝固温度范围扩大至390℃，故会产生强烈的偏析现象，为此，项目组首先采用直读光谱仪对比分析了电磁搅拌对Sn元素偏析的影响，其结果如图3所示。deepth=0意味着铸坯上表面，deepth增加指的是沿着铸坯的厚度方向增加深度。结果发现，未电磁搅拌和电磁搅拌的铸坯沿着厚度方向Sn元素含量没有明显的变化。为了验证该结果，项目组利用江铜研究院的能谱仪进一步深入分析了Sn元素的分布，结果如图4所示。结果表明，经过电磁搅拌的铸坯沿着厚度方向Sn含量分布较均匀，而未加入电磁搅拌的样品，其Sn元素分布不均匀，发生明显的偏析现象。值得注意的是，能谱仪分析能够更加准确的分析合金中Sn元素含量的分布。

图3 电磁搅拌对反偏析的影响（直读光谱仪），wt.%，注：deepth=0意味着铸坯上表面，deepth增加指的是沿着铸坯的厚度方向增加

图4 电磁搅拌对反偏析的影响（能谱结果），wt.%，（a）未电磁搅拌和（b）电磁搅拌，注：deepth=0意味着铸坯上表面，deepth增加指的是沿着铸坯的厚度方向增加

3.2 粗轧后的组织与力学性能

对粗轧至5mm厚的带材沿着轧制方向取样，对试样进行了取样分析，其结果如图5所示，可见，粗大的均匀化组织经过了大加工率粗轧以后，晶粒沿着轧制方向拉长，有大量的位错和空位等缺陷。

图5 粗轧到5mm的C5240带材金相组织

对粗轧至5mm厚的带材沿着轧制方向取样，做了拉伸实验，也测试了相应的导电性和硬度，其结果如图6和表2所示，可见，进行过加工率68.75%的粗轧的C5240带材的屈服强度和抗拉强度达到了746和892MPa，保持了比较高的断裂延伸率，导电性也达到了10.97% IACS。

表2 粗轧至2.5mm厚硬态C5240带材的相关性能

图6 粗轧至5mm厚硬态C5240带材拉伸工程应力应变

3.3 中间退火后力学性能

为了提高可加工性能有助于下一步精轧，需要对5mm厚的C5240带材进行一定温度和时间的中间退火，本文选择了550℃+5h的中间退火工艺。对粗轧至5mm厚的550℃+5h退火态的带材沿着轧制方向取样，做了拉伸实验，也测试了相应的导电性和硬度，其结果如图7和表3所示，可见，进行550℃+5h退火的C5240带材的屈服强度和抗拉强度分别降低至191和388MPa，断裂延伸率大大提高至38.9%，导电性也达到了10.2% IACS。

图7 粗轧至5mm厚550℃+5h退火的C5240带材拉伸工程应力应变

表3 粗轧至5mm厚500℃+6h退火的C5240带材的相关性能

3.4 精轧过程中的组织演变与力学性能

对中轧过程不同道次的金相组织进行观察，观察的面是沿着轧制方向的侧面，其结果如图8和图9所示，从图中可见，随着轧制变形量的增加（厚度的降低），晶粒越来越细化，越来越纤维化，而且所有道次的晶粒都比较小，切有一定量的孪晶。

图8 中轧过程中C5240带材金相组织：（a）轧至1.9mm，（b）轧至1.4mm，（c）轧至1.08mm厚，（d）轧至0.95mm，（e）轧至0.85mm和（f）轧至0.8mm

图9 中轧过程中C5240带材SEM组织：（a）轧至1.9mm，（b）轧至1.4mm，（c）轧至1.08mm厚，（d）轧至0.95mm，（e）轧至0.85mm和（f）轧至0.8mm

对中轧从5mm至0.5mm过程中部分道次的带材沿着轧制方向取样，测试了相应的导电性和硬度，其结果如图10所示，可见，随着中轧过程中带材厚度的减薄（加工率的增加），带坯的硬度增加，而导电率缓慢降低，中轧过程中各个道次的带材导电率也在10% IACS以上。可知，轧制过程中的电导率随着位错密度的增加，并没有显著降低，换句话说，位错对电导率 的降低作用没有固溶原子大。

图10 从5mm轧制到0.5mm过程C5240带材部分道次的（a）硬度和（b）电导率随带材厚度的变化

4 结论

（1）对16mm的 C5240铸坯进行电磁搅拌后，铸坯沿着厚度方向Sn含量分布较均匀，而未加入电磁搅拌的样品，其Sn元素分布不均匀，发生明显的偏析现象。

（2）对5mm的C5240带材进行550℃+5h的中间退火，其屈服强度和抗拉强度分别降低至191和388MPa，断裂延伸率大大提高至38.9%，导电性达到10.2% IACS。

（3）从5mm轧制至0.5mm过程中，电导率随着位错密度的增加并没有显著降低，因此，位错对电导率的降低作用没有固溶原子大。