一种锡磷青铜带材高强高导性能优化制备工艺的制作方法

本发明涉及铜合金加工，具体为一种锡磷青铜带材高强高导性能优化制备工艺。

背景技术：

1、锡磷青铜带材因具备良好的弹性、耐磨性与抗疲劳性能，被广泛应用于制造电子元器件、连接器及各类弹性簧片。随着电子通讯元件向微型化与高度集成化方向发展，对基础导电材料同步具备高抗拉强度与高导电率的要求日益严苛。

2、在现有的锡磷青铜带材制备工艺中，通常采用形变热处理的方式来提升材料性能，即依赖冷轧变形配合单一的时效处理。这种常规工艺在加工调控过程中存在固有的技术缺陷。为了获取高抗拉强度，现有工艺施加大压下量冷轧，此举会在材料基体内部积累大量位错并引发严重的晶格畸变。这些晶体缺陷虽然起到了加工硬化的作用，但同时会增加导电电子在晶格中传输时的散射截面，导致带材导电率下降。在随后的单一时效处理过程中，由于缺乏多阶段的热力学驱动力，体系难以在析出细小弥散强化相的同时促使基体发生充分回复，残留的内应力继续阻碍电子传导。

3、此外，现有热处理工艺在退火与冷却阶段缺乏对固溶状态的控制，常规降温过程容易发生平衡脱溶现象，导致无法为后续时效阶段保留充足的过饱和溶质原子，内部析出相会尺寸分布不均甚至出现局部粗化，减弱了沉淀强化效果。并且，未经过有效微合金化界面调控的常规基体，其晶界处的界面能较高且结合力相对薄弱，限制了材料整体屈服强度的进一步提升。因此，现有的常规制备工艺无法有效协调固溶度、位错密度与析出相形核演变之间的关系，导致带材的强度与导电率之间始终存在严重的相互制约，难以实现高强与高导性能的同步优化。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种锡磷青铜带材高强高导性能优化制备工艺，解决了现有制备工艺在提升锡磷青铜带材强度的同时会加剧内部晶格畸变从而导致导电率下降，难以实现高强度与高导电性能的同步优化的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种锡磷青铜带材高强高导性能优化制备工艺，采用如下的技术方案：

4、将铜料和锡料加热熔化，在惰性气体保护下，加入含硼合金，按制得的最终合金的总质量计，控制加入的硼元素质量分数为0.02%～0.05%，保温静置5～10min，随后加入含磷合金并精炼，获得熔体；

5、将所述熔体浇铸为带坯，对所述带坯进行温度为650℃～700℃、保温时间为2～4h的均匀化退火，并在所述均匀化退火结束后立即对所述带坯进行第一次水淬至室温；

6、对第一次水淬后的带坯进行平整冷轧，控制压下量在3%～5%之间；然后对所述带坯进行闪速保温，加热温度控制为380℃～400℃，保温时间控制为30～60s，并在所述闪速保温结束后立即进行第二次水淬至室温；

7、对第二次水淬后的带坯进行主冷轧，控制压下量在40%～50%之间；

8、对主冷轧后的带坯依次进行第一阶段和第二阶段的连续时效处理，其中第一阶段升温至220℃并恒温保温2h，第二阶段直接由第一阶段的220℃升温至360℃并恒温保温1.5h，随后冷却至室温；

9、对冷却至室温后的带坯进行精轧，最后对精轧后的带坯进行消除应力退火并冷却至室温。

10、通过采用上述技术方案，获得高强度与高导电性能同步提升的锡磷青铜带材。本发明微观机理及反应过程如下：

11、步骤一：熔炼脱氧与微合金化。硼元素与磷元素复合加入熔炼体系。硼元素由于其化学活泼性，与熔体中的氧发生反应生成氧化硼并上浮脱除。余下的微量硼元素固溶进入铜晶格内部以及晶界处。由于硼原子在晶界的偏析，降低了晶界界面能。

12、步骤二：高温固溶与过饱和固溶体保留。在650℃至700℃的均匀化退火区间，基体内部枝晶偏析处的锡元素和磷元素向晶内扩散，实现溶质原子的重新分布。随后的第一次水淬利用快速降温避开析出相形成的临界温度区间，抑制富锡相与富磷相的形成，在室温状态下获得过饱和铜基固溶体，为后续沉淀强化提供溶质储备。

13、步骤三：微量形变与短程有序化调控。平整冷轧在基体中引入基础密度的位错网络。随后进行的闪速保温使过饱和固溶体内部的溶质原子沿位错线发生短程迁移，聚集形成溶质原子富集区。该过程的保温时间极短，并在结束后立即进行第二次水淬固定微观结构，避免基体发生回复再结晶。

14、步骤四：剧烈塑性变形。主冷轧的高压下量导致带坯晶粒沿轧制方向变形，晶体内部生成大量滑移带与交割位错，提升基体的位错密度，为析出相提供形核位置。

15、步骤五：双级连续时效析出。第一阶段的低温时效提供初始形核驱动力，促进溶质原子在位错核及晶界处大量形核，析出尺寸极细的强化相颗粒。强化相阻碍位错运动，提升合金强度。第二阶段的中温时效促使前期形核的析出相长大至临界尺寸，同时铜基体发生回复。晶格畸变的减弱以及溶质原子从固溶体中的脱出，降低了导电电子的散射截面，提升导电率。两阶段的连续处理协调了位错网络与析出相的尺寸分布，实现带材高强度与高导电率的性能组合。

16、优选的，所述含硼合金为cu～1%b中间合金，所述含磷合金为cu～10%p中间合金；所述加热熔化和精炼工序在带有底吹除气系统的感应熔炼炉中进行，且所述熔体的表面采用鳞片石墨覆盖。

17、通过采用上述技术方案，底吹系统通入的气体带动熔体向上翻滚，促使加入的合金元素在熔体内部均匀分散，并携带非金属夹杂物上浮分离。覆盖于熔体表面的鳞片石墨阻断熔体与外部空气的直接接触，防止铜基体及合金元素的氧化损失。

18、优选的，加入所述含硼合金时，采用钟罩压入法将所述含硼合金压入至所述熔体的液面深处进行熔化，以避免硼元素与环境接触产生烧损。

19、通过采用上述技术方案，钟罩将含硼合金送至熔体底部，使含硼合金在熔体内部直接熔化扩散，提高微量硼元素的实收率，保障微合金化成分控制的准确性。

20、优选的，所述浇铸为水平连铸；所述第一次水淬的冷却速率大于或等于50℃/s，以抑制所述带坯在第一次水淬降温过程中的析出相生成并保留固溶态组分。

21、通过采用上述技术方案，大于或等于50℃/s的强制冷却速率能够缩短合金处于中温区的时间，避免冷却过程中的平衡脱溶现象，确保进入冷轧工序的带坯具有最大程度的过饱和固溶度。

22、优选的，所述闪速保温在连续气垫式退火炉中进行，所述带坯进入所述连续气垫式退火炉中380℃～400℃的温区时，加热速率为大于50℃/s且小于或等于100℃/s。

23、通过采用上述技术方案，高加热速率缩短了带坯从室温到达目标保温温度的时间，防止在缓慢升温阶段发生非受控的粗大相析出。气垫式退火炉提供均匀的热场及非接触式支撑，保障了带坯表面的光洁度。

24、优选的，所述最终合金中，按质量分数100%计，锡元素控制在6.0%～7.0%之间，磷元素的质量分数控制在0.1%～0.2%之间，硼元素控制在0.02%～0.05%之间，余量为铜及不可避免的杂质。

25、通过采用上述技术方案，通过限定各组分的质量分数，协调固溶强化与析出强化的作用效果。锡元素保留在铜基体中提供固溶强化；磷元素与铜元素反应生成富磷相，主导沉淀强化过程；硼元素作用于晶界实现界面强化。

26、优选的，所述连续时效处理工序中，由室温升温至所述第一阶段的220℃的升温速率，以及由第一阶段的220℃升温至第二阶段的360℃的升温速率，均控制在5～10℃/min之间；所述冷却至室温的方式为空冷。

27、通过采用上述技术方案，控制两阶段的升温速率，使析出相的形核和长大过程处于受控状态。5至10℃/min的升温区间能够提供充足的孕育时间，避免局部快速升温导致的析出相尺寸分布不均。

28、优选的，所述消除应力退火的温度为180℃～200℃，保温时间为1～2h。通过采用上述技术方案，在该温度区间内进行恒温处理，使得带材内部的残余微观弹性应力得以释放，且该热量不足以引发基体晶粒的再结晶，保持加工硬化效果的同时改善带材的折弯性能与平直度。

29、优选的，所述主冷轧采用多道次可逆冷轧实现，且每道次的压下量在10%～15%之间，以使所述带坯内部产生均匀分布的形变应力。

30、通过采用上述技术方案，将总压下量分配至多个道次的轧制过程中，限制单道次压下量，避免单次大变形引发材料表面微裂纹，使沿厚度方向的剪切变形与位错分布趋于均匀。

31、优选的，所述加入含磷合金并精炼之后且将所述熔体浇铸为带坯之前，还包括将精炼后的所述熔体静置15～20min的操作。

32、通过采用上述技术方案，静置操作为微小的脱氧反应生成物以及固态杂质提供上浮分离的时间，进一步纯净合金基体，降低成品带材加工断裂的风险。

33、本发明提供了一种锡磷青铜带材高强高导性能优化制备工艺。具备以下有益效果：

34、1、本发明由于在熔炼阶段加入适量的含硼合金进行微合金化处理并配合均匀化退火后的第一次水淬以及平整冷轧后闪速保温的第二次水淬操作，使得微量硼原子偏析于晶界以降低界面能，同时凭借两次快速降温抑制了析出相的非平衡生成，从而在带坯基体中保留了大量过饱和固溶态组分，最终为后续的沉淀强化过程提供了充足的溶质储备。

35、2、本发明由于采用主冷轧工艺引入大塑性变形并结合由低温至中温依次进行的第一阶段与第二阶段连续双级时效处理工艺组合，使得高密度位错网络为初始形核提供了大量位点以析出细小的弥散强化相，并促使基体在后续阶段发生回复以及溶质原子从固溶体中脱出，从而降低了内部晶格畸变与导电电子的散射截面，最终实现了锡磷青铜带材高强度与高导电性能的同步提升。

36、3、本发明由于采用了限定连续气垫式退火炉中的快速加热速率以及控制连续时效处理工序中各阶段缓慢升温速率的多级热处理控制手段，使得带坯在短时加热阶段避免了粗大强化相的异常析出并在后续时效阶段获得了均匀的孕育环境，从而调控了内部析出相的尺寸与空间分布状态，最终保障了成品带材内部微观组织形态与整体宏观性能的稳定性。