CN114107727B - 一种低板型i值锡磷青铜带材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：该锡磷青铜的质量百分比组成为Sn：6.0～8.0wt％，P：0.08～0.12wt％，Ni：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.15wt％，余量为Cu和不可避免的杂质；该锡磷青铜的工艺流程包括：水平连铸→均匀化退火→铣面→冷粗轧→一次退火→冷中轧→二次退火→冷精轧→低温退火→冷拉弯矫直；得到的锡磷青铜带材中加工组织D和再结晶组织R体积百分数之比满足4.0≤D/R≤6.0。本发明的工艺流程更能够保证锡磷青铜带材的内应力分布均匀，满足5G手机、平板电脑等轻薄电子设备的蚀刻均热板基体材料的应用。

Description

一种低板型I值锡磷青铜带材的制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金技术领域，具体涉及一种低板型I值锡磷青铜带材的制备方法。

背景技术

同4G手机相比，5G智能手机在处理器工作能力、摄像水平、电池及充电方式等方面实现了全面的升级。伴随着手功能模块的增多，运算能力的增强，其产生的功耗也大幅度增加，对散热能力提出了更高的要求。同目前常用的热导管相比，利用流体相变散热的均热板，不仅导热能力更强，其导热系数可高达20000W/(m·K)以上，而且散热面积更大，同时通过手机各区域的整体散热的方式防止了局部温度差对手机工作性能的影响。此外，均热板的厚度更小，更符合手机轻薄化的发展趋势。

均热板基体材料的性能是影响其散热性能最为关键的因素，目前均热板用的铜合金带材主要有纯铜、锡磷青铜和镍磷青铜。纯铜尽管导热性能最好，但由于其强度较低，会在使用过程出现鼓包问题。镍磷青铜存在电化学腐蚀问题，使用时易蚀漏，影响均热板的气密性，而锡磷青铜不仅具有优异的耐蚀性，同时具有良好的抗应力松弛性能，是一种理想的均热板基体材料。然而目前，在将锡磷青铜合金带材加工成均热板时，为了保证均热板散热的稳定性和均匀性，还要解决以下的问题。首先，作为均热板壳体材料的锡磷青铜带材在加工后板型必须良好。若板型不好，局部区域会出现接触不良现象，导致该区域温度会与周围区域会形成温度差，长期的温差会极大地降低电子元件的使用寿命。同时由于温度差的存在，会进一步加剧均热板热变形趋势，严重影响其散热能力。其次，带材的表面粗糙度也对均热板的散热均匀性具有重大影响。

因此，针对上述问题，需要对锡磷青铜合金带材进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种板型优良而具有良好散热能力的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：该锡磷青铜的质量百分比组成为Sn：6.0～8.0wt％，P：0.08～0.12wt％，Ni：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.15wt％，余量为Cu和不可避免的杂质；该锡磷青铜的工艺流程包括：水平连铸→均匀化退火→铣面→冷粗轧→一次退火→冷中轧→二次退火→冷精轧→低温退火→冷拉弯矫直；得到的锡磷青铜带材中加工组织D和再结晶组织R体积百分数之比满足4.0≤D/R≤6.0。

锡磷青铜带材在进行冷轧加工时，为获得高强度必须进行大变形量塑性加工，因此其所需施加的加工压力也随之增大，受轧制的加工参数等各种工艺因素引发的受力不均会导致铜合金带材纵向或横向的金属流动不均匀，这种不均匀的塑性变形使得带材内部的应力分布不均匀，带材的板型I值较高。而带材内部的应力分布又与带材的组织结构有关，带材在进行退火时，内部的加工组织逐渐发生回复，其中一部分转变为再结晶组织，带材内部的加工应力也随之减少，带材板型I值也随之下降。当完全再结晶时应力将基本消失，但加工硬化带来的强度和硬度的提升也将随之消失，因此必须保证带材具备足够的应力以满足其使用时力学性能的要求，同时控制合金内部的残余应力以保证带材具有低板型I值，提高其作为均热板基体材料的良好导热性。因此本发明控制加工组织和再结晶组织体积百分数之比为4.0≤D/R≤6.0，实现带材的强度、硬度和板型I值的平衡，以期满足均热板使用时散热的稳定性。

作为优选，所述冷精轧采用连续两道次双向轧制，冷精轧前的带材厚度为0.25～0.40mm，第一道轧制的加工量为30％～35％，开卷单位张力范围为65～75N/mm²，收卷单位张力范围为85～95N/mm²，轧制力范围为2200～2400kN；第二道轧制的加工量为5％～10％，开卷单位张力范围为80～90N/mm²，收卷单位张力范围为85～95N/mm²，轧制力范围为2200～2350kN。

对于双向冷轧加工的带材，开卷张力和收卷张力的控制至关重要。若张力不足，带材在轧制过程中会产生漂移，带材表面会出现褶皱、起皮、挫伤等诸多质量问题；若张力过大，轧辊会在带材表面形成擦划伤，并在部分区域形成明显的应力纹，甚至当张力超过一定数值后，带材会被直接拉断。综上所述，无论何种情况都会对带材的板型产生较大的影响，故本发明依据带材的厚度，严格控制了第一次和第二次轧制开卷和收卷的单位张力，保证了带材可以稳定的咬入轧辊。此外，采用收卷张力大于开卷张力的方式进行轧制，进一步保证了冷轧加工后带材板型的稳定，同时实现了对带材厚度方向上的尺寸波动的控制。在控制张力的基础上，本发明同时对加工量和轧制力也进行控制。本发明通过第一次大加工量，第二次小加工量的方式，尽可能让各道次的轧制力大致相同，通过第一次大加工量轧制，保证带材内部加工组织的形成，并且充分发挥加工硬化的作用，提升带材的强度和硬度。第二次小加工量轧制，使得内部的应力分布更为均匀，加工组织分布的更为均匀，进而实现对带材内部加工组织和再结晶组织的占比调控。此外，成品道次加工变形小，在保证带材板型的同时，也可有效改善带材的表面质量，进一步提升均热板基体铜带的质量。

作为优选，所述冷精轧工作辊的表面粗糙度控制在0.05～0.08μm。均热板是依靠内部工作流体气液相变来进行散热的，而流体的散热循环主要利用的是液体的毛细作用，而带材的粗糙度对毛细作用的影响较大。当带材表面粗糙度不均匀时，粗糙度大的区域毛细作用更显著，液体流动性好，反之则流动性较差。因此，本发明采用粗糙度为0.05～0.08μm的轧辊，冷轧后带材的表面粗糙度平均值Ra在平行于轧制方向上小于等于0.08μm，在垂直于轧制方向上小于等于0.12μm，带材的表面的粗糙度更均匀，进而保证了均热板散热的均匀性与稳定性。

作为优选，所述均匀化退火的温度为680～750℃，保温时间为3～6h。在该温度下能够调节Sn元素的反偏析，同时也为带材晶粒度的控制，带材后续轧制加工的组织占比D/R的调控奠定基础。

作为优选，所述一次退火的温度为410～510℃，保温时间为3-5h。一次退火消除冷轧加工内部的加工应力，为后续冷加工奠定基础。

作为优选，所述二次退火的温度范围为650～700℃，带材通过加热炉的速度为25～60m/min，二次退火后带材的晶粒度≤5μm。实现对带材晶粒度的控制，同时对带材的加工组织和再结晶组织占比D/R实现初步的优化。

作为优选，所述低温退火的温度为200～280℃，保温时间为2～5h。在该退火工艺条件下，不会使带材的加工组织和再结晶组织占比发生改变，却可以消除一定程度的内应力，有利于后续拉弯矫直对板型的调控。

作为优选，所述冷拉弯矫直的延伸率为2.0～5.0％。进一步平均带材内部应力，优化带材的板型值。

作为优选，该锡磷青铜还包括Ni：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.15wt％。本发明向锡磷青铜合金带材中加入一定量的Ni元素和Si元素。通过加入Ni元素和Si元素可以在锡磷青铜基体中析出一些细小且分布均匀的Ni-Si金属化合物复合相，该复合相可有效提高材料的耐热能力，保证材料在加工成均热板后受热时不会发生较大的变形，提高均热板使用的稳定性。

作为优选，得到的锡磷青铜带材的板型I值控制在2.0～4.0。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的工艺流程更能够保证锡磷青铜带材的内应力分布均匀，将带材中加工组织D和再结晶组织R体积百分数之比控制在4.0≤D/R≤6.0，实现带材的板型I值控制在2.0～4.0，具有良好的散热能力，满足5G手机、平板电脑等轻薄电子设备的蚀刻均热板基体材料的应用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

选取10个实施例和4个对比例，具体成分见表1。其中10个实施例按照本发明的锡磷青铜带材工艺流程进行制备，工艺流程包括：水平连铸→均匀化退火→铣面→冷粗轧→一次退火→冷中轧→二次退火→冷精轧→低温退火→冷拉弯矫直；具体按照以下工艺进行制备：

(1)水平连铸：按照铜、镍、锡、硅的顺序投料，待上述金属全部熔化后再加入磷铜中间合金用以去除溶液中的气体，随后进行光谱测试，测试合格后将熔炼炉内金属液转炉至保温炉进行水平连铸，铸造参数选择如下：铸造温度1165-1200℃，铸造速度为110-150mm/min，节距为6-10，连铸坯宽度为645mm，厚度为15.1mm；

(2)均匀化退火：以680～750℃为退火温度，保温时间选择为3～6h；

(3)铣面：上下表面铣面厚度0.6～0.8mm，去除表面的缺陷及偏析层；

(4)冷粗轧：将铣面后带材冷加工至2.0-2.5mm；

(5)一次退火：采用钟罩炉进行退火，退火温度在410-510℃范围内，保温时间为3-5h；

(6)冷中轧：对退火带材进行冷中轧加工，带材厚度为0.25-0.4mm；

(7)二次退火：采用气垫炉进行连续退火，加热温度范围650-700℃，带材过气垫炉速度为25～60m/min；

(8)冷精轧：将带材冷加工至0.15-0.25mm；

(9)低温退火：以200-280℃为保温温度，对带材进行2-5h时间范围内的低温退火处理；

(10)拉弯矫直：以2.0～5.0％为延伸率，对带材进行拉弯矫直。

其中关键工艺参数控制详见表2，带材性能分析详见表3。

对比例1和对比例2与本实施例的不同之处在于：二次退火的工艺不同，采用气垫炉进行连续退火，加热温度范围750-800℃，带材过气垫炉速度为70m/min。

对比例3和对比例4与本实施例的不同之处在于：冷精轧工艺控制不同，具体参数见表2。

对于制备得到的10个实施例和4个对比例分别进行晶粒度、EBSD分析、板型I值和表面粗糙度、厚度公差检测。

金相组织晶粒大小测试，按照《GB/T 6394-2007金属平均晶粒度测定方法》中的截点法，对500倍的金相显微镜采集照片中的晶粒大小进行测试。样品宽度为10mm，长度为10mm。

利用FEI Verios G4场发射扫描电子显微镜上的Oxford Symmetry EBSD探头对冷精轧带材进行EBSD测试，并借助Channel 5软件对测试结果进行分析计算，得出加工组织及再结晶组织的体积百分比。

对带材板型I值的测试，结合《GB/T 34901-2017冷轧带材板形闭环测控系统》和《GB/T 34902-2017冷轧带材接触式板形仪》用板型仪进行在线测试。

表面粗糙度测试按照《GB/T 10610-2009产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法评定表面结构的规则和方法》中要求进行，样品长度为400mm，宽度为400mm。

带材厚度公差测试，结合《GB/T 1958-2017产品几何技术规范(GPS)几何公差检测与验证》和《GB/T 17793-2010加工铜及铜合金板带材外形尺寸及允许偏差》标准进行测试，样品长度400mm，宽度400mm。

根据实施例可以发现，采用本发明制备方法可实现对带材板型I值的控制。通过对比例1、2可知，在此退火条件下，带材的晶粒度达到8-10μm，并且由于加热温度较高，带材内部的加工组织占比量减少较多，再结晶组织占比显著增加，即D/R值明显减小，此时即使采用实施例所要求的冷轧工艺参数进行轧制，带材的强度值和硬度值均要出现明显的降低，且板型I值也会出现一定程度的上升，带材质量差。

通过对比例3、4可知，当冷精轧不在本发明参数范围内时，即当开卷张力偏大或偏小时，带材在轧制过程中受力发生明显的改变，金属带材不但受力不均匀，且由于第一次或第二次的轧制力增加，带材加工组织占比会升高，使得带材的D/R值升高。最终这种应力的不均匀和组织占比的改变，促使带材的板型I值升高，达到6.0以上，带材板型质量明显下降。

本发明所有实施例的锡磷青铜合金带材的表面粗糙度平均值Ra，在平行于轧制方向上均小于等于0.08μm，垂直于轧制方向均小于0.12μm，可解决均热板材料散热不均匀的问题。同时，成品厚度控制在0.15-0.25±0.005mm，带材的板型I值控制在2.0-4.0之间，带材具有良好的板型和尺寸精度，适用于蚀刻均热板高温的工作环境。强度达到700MPa以上、硬度达到210，该综合性能满足5G手机、平板电脑等轻薄电子设备的蚀刻均热板基体材料的应用。

表1本发明实施例和对比例的成分

表2本发明实施例和对比例的关键工艺参数控制

表3本发明实施例和对比例的性能参数

Claims (7)

1.一种低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：该锡磷青铜的质量百分比组成为Sn：6.0～8.0wt％，P：0.08～0.12wt％，余量为Cu和不可避免的杂质；该锡磷青铜的工艺流程包括：水平连铸→均匀化退火→铣面→冷粗轧→一次退火→冷中轧→二次退火→冷精轧→低温退火→冷拉弯矫直；得到的锡磷青铜带材中加工组织D和再结晶组织R体积百分数之比满足4.0≤D/R≤6.0；

所述冷精轧采用连续两道次双向轧制，冷精轧前的带材厚度为0.25～0.40mm，第一道轧制的加工量为30％～35％，开卷单位张力范围为65～75N/mm²，收卷单位张力范围为85～95N/mm²，轧制力范围为2200～2400kN；第二道轧制的加工量为5％～10％，开卷单位张力范围为80～90N/mm²，收卷单位张力范围为85～95N/mm²，轧制力范围为2200～2350kN；所述冷精轧工作辊的表面粗糙度控制在0.05～0.08μm；得到的锡磷青铜带材的板型I值控制在2.0～4.0。

2.根据权利要求1所述的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：所述均匀化退火的温度为680～750℃，保温时间为3～6h。

3.根据权利要求1所述的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：所述一次退火的温度为410～510℃，保温时间为3-5h。

4.根据权利要求1所述的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：所述二次退火的温度范围为650～700℃，带材通过加热炉的速度为25～60m/min，二次退火后带材的晶粒度≤5μm。

5.根据权利要求1所述的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：所述低温退火的温度为200～280℃，保温时间为2～5h。

6.根据权利要求1所述的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：所述冷拉弯矫直的延伸率为2.0～5.0％。

7.根据权利要求1所述的低板型I值锡磷青铜带材的制备方法，其特征在于：该锡磷青铜还包括Ni：0.5～0.8wt％，Si：0.1～0.15wt％。