CN107716885B - 一种高强高导铜合金带材短流程生产方法 - Google Patents

一种高强高导铜合金带材短流程生产方法 Download PDF

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Abstract

一种高强高导铜合金带材短流程生产方法，属于金属材料技术领域。针对传统的“半连续铸锭—热轧—铣面—冷轧—固溶—冷轧—时效”工艺生产高强高导铜合金带材需要大型热轧设备，且成材率低、能耗大、成本高等问题，本发明提出采用热冷组合铸型水平连铸制备铜合金板坯，然后进行冷轧—固溶—冷轧—时效，生产高强高导铜合金带材，可以省略坯料再加热和热轧、铣面处理，具有设备投资小、工艺流程短、成材率高、能耗小、生产成本低等优点。水平连铸板坯宽度200～800mm、厚度5～50mm，轧制道次变形量20～50％，轧制速度60～600m/min，加工后产品宽度为200～800mm，厚度为0.05～2mm。

Description

一种高强高导铜合金带材短流程生产方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高强高导铜合金带材短流程生产方法。
背景技术
高强高导铜合金具有较高的强度和优良的导电、导热性能，是电子通讯、交通、航空、航天、新能源等高技术领域的关键结构功能材料，其带材产品在制造集成电路引线框架、精密电子元器件接插件等方面应用广泛，例如Cu-Ni-Si和Cu-Cr-Zr合金已成为各国竞相发展的新一代引线框架材料。
目前，以Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等为代表的高强高导铜合金带材基本采用传统“半连续铸锭—热轧—铣面—冷轧—固溶—冷轧—时效”工艺[见：汪明朴等，一种CuNiSiMg合金材料和其制备方法以及该合金材料制备带材的方法，中国发明专利，授权号ZL201210209072.8；朱永兵，郭福安，李华清，Cu-Cr-Zr系合金板材的改性制备方法，中国发明专利，申请号CN 200810235978.0]进行生产。该工艺存在的主要问题是：(1)生产过程中，需要将铸锭重新加热至较高温度(如Cu-Ni-Si系和Cu-Cr-Zr系合金需加热至900℃以上)进行热轧，需要大型加热和热轧设备，生产投资大、能耗大；(2)热轧后的带坯需要铣面，增加了工序，降低了成材率；(3)由于铸坯质量差，热轧、冷轧过程中易出现带材开裂、表面起皮、残余应力大、尺寸精度差、工艺控制难度大等问题，导致产品质量差、卷重小；(4)加工硬化速率大，冷轧道次变形量小，加工道次、中间退火和酸洗次数多，导致工艺流程长，环境负荷大。上述问题使得国内高强高导铜合金带材尚未实现大规模生产，大部分该类合金带材需依赖进口，严重制约了我国电子信息等高端技术产业的发展。因此，发展投资小、流程短、成材率高、生产成本低的高强高导铜合金带材生产新工艺，将有助于提升铜合金带材市场竞争力，解决我国在高质量铜合金关键材料方面长期受制于国外的不利局面，满足我国航空、航天、电子通讯以及国防军工等领域对大卷重、高精度、高性能铜合金带材的迫切需求。
采用水平连铸技术制备板坯，取代传统的“半连续铸锭—热轧”的制坯工艺，结合后续冷轧生产不同规格的带材，是高强高导铜合金带材短流程生产工艺发展的重要方向。但是传统水平连铸工艺制备的板坯存在表面橘皮、偏析瘤、裂纹等缺陷，板坯后续加工前须进行表面铣面，对成材率的影响较大；另一方面，板坯组织主要由发达的沿厚度方向柱状晶和大量脆性析出相(如Cu-Ni-Si合金中的Ni2Si、Cu-Cr-Zr合金中的Cu5Zr)组成，并且内部气孔、疏松、夹渣等缺陷较多，致密度较低，导致后续冷加工困难、成材率低和产品质量差。
本发明申请人等发明的热冷组合铸型水平连铸技术[见：谢建新等，一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸工艺与设备，中国发明专利，授权号ZL201010501407.4]生产的合金管坯，其外表面光洁、致密度高，具有沿管坯长度方向强取向柱状晶组织，冷加工性能优良，无需铣面等处理可直接进行大变形量冷轧加工等优点。利用这些特点，发展板坯热冷组合铸型水平连铸技术，有可能生产出表面质量好、冷轧性能优良的铜合金板坯，直接用于冷轧，从而省略板坯再加热、热轧和铣面等工序，带来铜合金带材加工工艺的变革。
发明内容
本发明的目的是针对铜合金带材传统生产工艺投资大、流程长、成材率低、成本高等问题，采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产大宽幅铜合金(如Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等)板坯，然后进行冷轧—固溶—冷轧—时效，实现大卷重、高精度、高性能铜合金带材短流程生产，解决传统铜合金带材生产工艺投资大、流程长、能耗大、成材率低、成本高等问题。
一种高强高导铜合金带材短流程生产方法，技术方案为：采用一种热冷组合铸型水平连铸技术，由于在板材固液界面前沿建立较高的沿连铸方向的温度梯度，可生产具有表面质量好、组织致密、沿长度方向取向柱状晶组织、析出相含量低、冷轧性能优良的铜合金板坯，在无需热轧和表面处理的条件下直接进行冷轧—固溶—冷轧—时效，生产高性能铜合金带材。具体步骤如下：
(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产宽度为200～800mm、厚度为5～50mm的铜合金板坯(如Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等)。熔体温度1200～1300℃，热型(铸型加热段)温度1100～1250℃，冷型(水冷结晶器)一次冷却水流量1000～6000L/h，喷水二次冷却水流量500～2000L/h，牵引速度50～200mm/min。
(2)对步骤(1)中厚度为5～50mm的板坯进行多道次连续冷轧，道次变形量为30～50％，轧制速度为60～300m/min，可生产出厚度为2～5mm的铜合金带材。根据需要可对带材进行固溶和淬火处理，以使析出相完全固溶进入基体和提升带材加工性能，固溶温度为900～1000℃，保温时间为0.5～4h，保护气体为70％H2+30％N2，淬火采用水淬方式，冷却水温度为20～50℃。
(3)将步骤(2)中制备的厚度2～5mm的带材进行冷轧，道次变形量为20～40％，轧制速度为100～600m/min，可生产出厚度0.05～2mm的铜合金带材。
(4)对步骤(3)中制备的厚度0.05～2mm的铜合金带材进行时效处理，使产品获得较好的力学性能和电导率匹配，以满足实际使用要求。时效温度为400～550℃，保温时间为2～6h，保护气体为70％H2+30％N2。
本发明的优点在于：
(1)与传统水平连铸工艺相比，本发明采用的热冷组合铸型水平连铸工艺可生产大宽幅、厚度薄的铜合金带坯，具有表面光洁、组织致密、析出相含量低、冷加工性能优良等特点，适合于直接进行大变形量冷轧加工。
(2)本发明所提供的生产方法与现有的“半连续铸锭—热轧—铣面—冷轧—固溶—冷轧—时效”工艺相比，生产工艺和设备简单，投资小。由于采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产的铜合金板坯表面质量好，该板坯无需进行铣面，可直接进行后续冷轧加工，省去了坯料再加热和热轧、铣面等工序，简化了生产工艺，降低了能耗；另外，无需大型热轧设备，降低了设备投资。
(3)与“半连续铸锭—热轧—铣面—冷轧—固溶—冷轧—时效”工艺相比，本发明提供的方法工艺流程短、能耗低、成材率高、生产成本低。本发明所采用的连铸铜合金板坯具有高致密、沿长度方向取向柱状晶和低含量析出相组织，其冷加工成形性能大幅度优于普通铸造或热轧的板坯，可进行多道次大变形量的冷轧加工，有利于提高道次加工率，减少轧制道次，减少甚至省去中间退火、酸洗等环节，显著缩短了工艺流程，降低了环境负荷和生产成本，提高了成材率。传统工艺生产壁厚0.2mm的Cu-Ni-Si系和Cu-Cr-Zr系合金带材，成材率低于40％，而采用本发明工艺，成材率可提高到85％以上，工艺流程缩短一半以上。
具体实施方式：
实施例1：宽度500mm、厚度0.2mm的Cu-Ni-Si合金带材生产方法
(1)以Cu-Ni-Si合金中的C70250合金为例，采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备宽度为505mm、厚度为15mm的C70250合金板坯，铜液熔化温度为1230℃，热型(铸型加热段)温度为1160℃，一次冷却水流量为5000L/h，喷水二次冷却水流量为1000L/h，牵引速度为100mm/min。
(2)将步骤(1)制备的板坯进行6道次冷轧，平均道次变形量为35％，轧制速度为100m/min，生产厚度2mm的C70250合金带材。对带坯进行固溶和淬火处理，固溶温度为900℃，保温时间为1h，保护气体为70％H2+30％N2，淬火采用水淬方式，冷却水温度为20～50℃。
(3)将步骤(2)制备的C70250合金带材进行7个道次冷轧，平均道次变形量为25％，轧制速度为200m/min，经过切边工序后得到宽度500mm、厚度0.2mm的C70250合金带材。
(4)将步骤(3)制备的C70250合金带材进行时效处理，时效温度为450℃，保温时间为4h，保护气体为70％H2+30％N2，目的是使合金中的析出相充分弥散析出，提升带材的强度和电导率，使产品性能达到使用要求。
实施例2：宽度400mm、厚度0.2mm的Cu-Ni-Si合金带材生产方法
(1)以Cu-Ni-Si合金中的C70350合金为例，采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备宽度为405mm，厚度为10mm的C70350合金板坯，铜液熔化温度为1250℃，热型(铸型加热段)温度为1200℃，一次冷却水流量为3000L/h，喷水二次冷却水流量为800L/h，牵引速度为80mm/min。
(2)将步骤(1)制备的板坯进行6道次冷轧，平均道次变形量为30％，轧制速度为100m/min，生产厚度2mm的C70350合金带材。对带坯进行固溶和淬火处理，固溶温度为950℃，保温时间为1.5h，保护气体为70％H2+30％N2，淬火采用水淬方式，冷却水温度为20～50℃。
(3)将步骤(2)制备的C70350合金带材进行8个道次冷轧，平均道次变形量为20％，轧制速度为150m/min，经过切边工序后得到宽度400mm、厚度0.2mm的C70350合金带材。
(4)将步骤(3)制备的C70350合金带材进行时效处理，时效温度为480℃，保温时间为4h，保护气体为70％H2+30％N2，目的是使合金中的析出相充分弥散析出，提升带材的强度和电导率，使产品性能达到使用要求。
实施例3：宽度400mm、厚度0.2mm的Cu-Cr-Zr合金带材生产方法
(1)以Cu-Cr-Zr合金中的C18150合金为例，采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备宽度为405mm、厚度为15mm的C18150合金板坯，铜液熔化温度为1250℃，热型(铸型加热段)温度为1180℃，一次冷却水流量为4000L/h，喷水二次冷却水流量为800L/h，牵引速度为100mm/min。
(2)将步骤(1)制备的板坯进行6道次冷轧，平均道次变形量为35％，轧制速度为100m/min，生产厚度2mm的C18150合金带材。对带坯进行固溶和淬火处理，固溶温度为960℃，保温时间为2h，保护气体为70％H2+30％N2，淬火采用水淬方式，冷却水温度为20～50℃。
(3)将步骤(2)制备的C18150合金带材进行7个道次冷轧，平均道次变形量为25％，轧制速度为200m/min，经过切边工序后得到宽度400mm、厚度0.2mm的C18150合金带材。
(4)将步骤(3)制备的C18150合金带材进行时效处理，时效温度为460℃，保温时间为4h，保护气体为70％H2+30％N2，目的是使合金中的析出相充分弥散析出，提升带材的强度和电导率，使产品性能达到使用要求。

Claims (3)

1.一种高强高导铜合金带材短流程生产方法，其特征在于采用热冷组合铸型水平连铸技术，生产具有表面质量好、组织致密、沿长度方向取向柱状晶组织、析出相含量低、冷轧性能优良的铜合金板坯，在无需热轧和表面处理的条件下直接进行冷轧—固溶—冷轧—时效，生产高性能铜合金带材；具体步骤如下：
(1)采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产宽度为200～800mm、厚度为5～50mm的铜合金板坯；熔体温度1200～1300℃，热型温度1100～1250℃，冷型一次冷却水流量1000～6000L/h，喷水二次冷却水流量500～2000L/h，牵引速度50～200mm/min；
(2)对步骤(1)中厚度为5～50mm的铜合金板坯进行多道次连续冷轧，道次变形量为30～50％，轧制速度为60～300m/min，生产出厚度为2～5mm的铜合金带材；
(3)将步骤(2)中制备的厚度2～5mm的带材进行冷轧，道次变形量为20～40％，轧制速度为100～600m/min，生产出厚度0.05～2mm的铜合金带材；
(4)对步骤(3)中制备的厚度0.05～2mm的铜合金带材进行时效处理，使产品获得较好的力学性能和电导率匹配，以满足实际使用要求；
所述步骤(1)中的铜合金板坯为Cu-Ni-Si系或Cu-Cr-Zr系板坯，成材率大于85％；
Cu-Ni-Si系板坯包括C70250板坯和C70350板坯，Cu-Cr-Zr系板坯包括C18150。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金带材短流程生产方法，其特征在于根据需要对步骤(2)所述厚度为2～5mm的铜合金带材进行固溶和淬火处理，以使析出相完全固溶进入基体和提升带材加工性能，固溶温度为900～1000℃，保温时间为0.5～4h，保护气体为70％H2+30％N2，淬火采用水淬方式，冷却水温度为20～50℃。
3.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金带材短流程生产方法，其特征在于步骤(4)所述时效温度为400～550℃，保温时间为2～6h，保护气体为70％H2+30％N2。
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