提高铜带耐热性能的工艺控制方法分析

李珣，邓集松，付汉林，陈建宁

(中山市天乙铜业有限公司，广东 中山 528425)

铜带按用途分为接插件用铜带、引线框架带、电缆带、变压器和散热器水箱带等，这些铜合金带材在下游产业的后续加工中涉及耐热性能(也叫抗软化性能)的仅有散热器带和引线框架带。本文阐述近年来我国铜带生产企业关于铜带耐热性能的改善途径、工艺控制原理和具体措施等，总结铜带耐热性能的改进思路。

1 铜带的耐热性能要求

1.1 散热器

散热器水箱带是随着汽车工业的兴起发展起来的，散热器有管片式和管带式两种。新型管带式水箱采用超薄铜带，厚度0.025～0.06mm，具有重量轻、散热性能好、易于成型和成本低的优点，HV110～150，抗软化温度≥380℃[1]。

热水器水箱用散热带，需要保证380～400℃浸锡(Sn～Pb合金)处理之后不变软，该产品规格0.14～0.30×80～160mm，HV120～150。

1.2 引线框架

近年来，由计算机电子工业带动的集成电路用引线框架带需求旺盛，并且集成电路向规模化发展，对引线框架在后续封装过程承受短时高温能力的要求也在提高。按照GB/T 20254.1-2006，引线框架用铜及铜合金带材C19210与C19400的抗软化温度分别为470℃和450℃，客户一般要求470℃/3min后保持原始硬度的80%以上。

2 提高铜带耐热性能的途径

紫铜带由于强度有限，在许多领域无法满足机械性能的使用要求，而铜合金带材能弥补纯铜的不足，同时兼具紫铜的特性，在仪表、电子、服装等工业领域应用广泛。紫铜耐热性能的提高也离不开合金化，紫铜合金化的结果是满足导电、导热性能要求的同时，也保证一定的机械强度或其他性能，甚至满足电子工业中对铜带的弹性要求。铜带耐热性能的改善主要体现在合金化上，根据目前铜带使用情况主要是微合金化；铜带耐热性能改善的另一途径是在微合金化法基础上优化加工工艺，两者相辅相成，缺一不可。

2.1 微合金化提高耐热性能原理与工艺实践

该种方法设计思路有两个方向，以Sn为主要合金添加元素的合金化和以Fe为主合金的合金化。

2.1.1 Cu-Sn合金化

Cu-Sn合金化提高耐热性能原理是，Sn元素提高耐热性能源于Sn原子与Cu原子半径相差大，增加高温过程中铜内部产生位错滑移、攀移、重组的阻力，继而延缓回复、再结晶过程，大幅提升Cu的再结晶温度，从而大大提高铜的抗软化性能，见表1[1]。

表1 Sn对无氧铜(O≤10ppm)软化温度的影响

工艺实践1,仅以Sn元素合金化。为说明不同Sn含量对紫铜耐热性能影响，借鉴铜线产品生产实践案例，北恒铜业研发的低锡CTSL、铜锡CTS和高强度铜锡CYSH产品说明。随着Sn含量增加，材料的软化程度降低，耐热性能提高[2-3]，见表2。

表2 Sn含量对Cu耐热性能的影响

工艺实践2以Sn为主要元素，适当添加Te等其他元素。该方法应用的铜合金成分、国内散热器铜带牌号和厂家[4-5]见表3。

表3 Cu-Sn合金化应用

注：*成分范围见参考文献[4]

以文献[4]举例某生产厂家研制汽车水箱带工艺流程为，铸坯→热轧→铣面→粗轧1.5～2.0mm→退火→预精轧0.13mm→连续退火→精轧0.05mm。产品力学性能，TG1材料抗软化温度400℃，Rm 410MPa，HV131，导电率85.9%IACS；TG2抗软化温度390℃，Rm394MPa，HV118，导电率90.5%IACS。

2.1.2 Cu-Fe合金法

Cu-Fe合金法主要采用Cu-Fe-P系，提高铜材耐热性能的机制与Cu-Sn有所不同，是时效工艺的原理。时效过程为，过饱和固溶体—偏聚区(或称GP区)—过度相—平衡相—平衡相长大。由于析出的强化相能阻碍材料回复再结晶，从而提高耐热性能，且析出相的种类、分布、大小和数量均影响耐热性能的高低[6～7]。

Cu-Fe-P系用于引线框架铜带，主要牌号C19210(KFC)和C19400，见表4。

表4 Cu-Fe-P合金化应用

产品工艺流程：(1)C19210，水平连铸14mm→铣面→粗轧2.2mm→退火→预精轧0.52mm→退火→精轧0.38mm H/2；(2)C19400，红锭半连续铸造→热轧10mm(在线淬火)→铣面→粗轧1.5mm→退火→预精轧→0.7/0.45/0.35mm→退火→精轧0.254mm SH /0.254mm H / 0.254mm H/2；(3)Tg热水器水箱带，半连续铸造→热轧15mm(终轧温度580～620℃、热轧常规在线喷水冷却、无淬火装置)→铣面→粗轧0.45mm→退火→精轧→0.2mm(HV130～140，导电率80%～85%)。

2.2 合金化基础上的加工工艺优化

如前所述，合金化后产生的析出相种类、大小、分布和数量对材料的耐热性能有重要影响，而加工工艺的处理将影响析出相种类、大小、分布和数量。析出相的种类取决于合金元素和时效工艺，相数量取决于合金含量、固溶程度和时效工艺，分布和大小取决于加工率、时效温度和时间，具有与基体共格结构且大小处于最佳半径的相抗高温能力最佳，从阻止位错运动方面讲，抗软化机制与合金强化机制是一致的。经加工工艺处理的铜带内部组织结构只要能阻止材料发生回复和再结晶，就有利于材料耐热性能的提高。

2.2.1 合金化元素含量定量控制和添加第四、第五等组元

工艺1，通过控制KFC P含量、Fe/P比例和添加Sn，精轧加工率相同的情况下可以提高原始硬度，从而提高KFC的强度和抗软化能力[8]。由于KFC主要强化析出为Fe2P，合金配料应该综合考虑原子比Fe∶P=2∶1及P消耗量，生产成分控制范围如表5。

表5 KFC引线框架带合金元素控制

工艺2，向朝建[7]等人研究通过在C19400合金中添加0.05%Mg、0.05%Cr和0.1%混合稀土La、Ce，两种工艺条件下材料的软化温度分别从480℃提高至525℃、495℃提高到540℃。

2.2.2 热轧控制

热轧控制措施主要是固溶工艺，体现在固溶温度和冷却速度上，固溶温度高和冷却速度快不仅过饱和程度高，有利于时效析出相数量多，而且能防止未固溶相在后续退火中粗化失去强化、抗软化效果。选择在线固溶的铜带比打卷热轧固溶的更具耐热性。

2.2.3 退火时效控制

(1)台阶式分级时效

台阶式时效提高耐热性能的原理在于，在高温时效析出第二相的基础上降低温度防止已析出相随着时效时间的推迟聚集长大而降低析出相的耐热效果。

黄国杰[10]研究结论是，粗轧后2.5mm坯料采用530×2h+450×2h分级时效工艺比480×4h(见图1)软化温度提高60℃，内部析出相大小由100～200nm减小至十几至几十纳米之间。

图1 两种时效工艺

(2)两次时效

两次时效比单次时效材料耐热性能更高的原因在于，两次时效处理的铜带内部析出相弥散度、数量(体积分数)均有较大提高。中铝洛铜[11][10]C19400热轧坯14mm→粗轧2.4mm→时效→1.0mm→时效，与C19400热轧坯14mm轧至1.0mm→时效工艺相比，前者产品导电率比后者的(60～63.91%IACS)要高3%～7%，这就意味两次时效工艺的铜带内部固溶原子少而析出相多，析出强化相与基体有共格(或半共格)结构相比合金固溶基体更具热稳定性。

(3)钟罩炉时效

采用钟罩炉高温时效+低温时效的分级时效退火工艺生产C19400 SH 0.254mm，比采用钟罩炉时效+气垫炉时效工艺，产品软化处理后HV提高6个值[12]。

(4)优化时效工艺

由表6可知，工艺1的软化温度最高，耐热性能最好，加工率相同时，时效工艺对铜带耐热性能影响很大[13]。该工艺应该在2.2.4加工率轧程分配的基础上继续优化时效工艺。

表6 不同时效工艺对C19400耐热性能的影响

2.2.4 加工率控制

主要指热轧坯与预精轧半成品之间的轧程分配控制。C19400铜带一般采用两次时效+三次冷变形的工艺，第三次冷轧变形的成品加工率取决于产品状态，而其中两次冷轧总加工率分配将影响铜带析出相在两次退火中的分配比例和体积分数。轧程优化目标是使成品精轧前铜带内部的析出相组织具有均匀、细小的特点，提高耐热性能，类似工艺[14]研究与耐热性能见表7。

表7 轧程分配对C19400铜带组织的影响

3 总 结

各生产企业和科研院校对提高铜带耐热性能工艺的研究很多，主要表现在Sn、Fe合金化和加工工艺优化上。改善耐热性能的两大合金化方法见表8，其工艺特点各不相同，Cu-Fe系具有比Cu-Sn系更高耐热服役条件，散热器带生产企业可根据不同客户要求，吸收现代高精度引线框架带的生产技术成果。天乙铜业使用C19210改良型合金(见表4)替代现有牌号，由于原料成本低、工艺简单和符合产品耐热性能要求，工艺值得推广。同时建议散热器带生产厂家研制添加Fe合金降低Sn含量的新牌号，降低成本，以替代TG(Cu-0.1Sn-X)产品。

表8 提高Cu-Sn和Cu-Fe系铜带耐热性能生产工艺的比较

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