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摘 要 本文重点论述和分析了C19400铜合金板带材热轧生产的工艺需求、生产过程、产品状况以及铜板带热轧机组的装备技术特点。同时，通过具体的生产实践并结合加工理论分析，进一步研究和探讨了C19400大铸锭的控轧控冷工艺，并指出了生产过程中的关键技术和提高、改进的方向。 关键词： 引线框架材料；C19400铜合金；铜板带；热轧机；控轧控冷 Abstract：Demanding of the hot rolling processing, processing procedure and product condition, and the hot mill equipment technical characteristic for producing C19400 copper alloy strip were discussed and analysed in this paper. Also, process specification of controlling rolling & cooling for C19400 was further researched and discussed through specific productive practice and hot processing theory, and the key technology and improving direction in the processing procedure were set forth. Keywords：lead frame material；C19400 Cu-alloy；Copper sheet & strip；hot mill；controlling rolling & cooling 相比于Cu-Ni-Si和Cu-Cr-Zr系引线框架用铜合金，Cu-Fe-P系合金在开发成熟度、综合性价比、应用广泛性等方面都具有显著的优势，因而占据了整个引线框架材料用量的65%以上，其中，析出强化型C19400合金又是Cu-Fe-P系中最具代表性的合金品牌[1]。 过去的30年，国产C19400铜合金精密带材不仅产能小，而且产品表面质量、力学性能等较难满足市场要求，因而国内消费主要依靠进口。自2008年大卷重、高控制精度、工艺功能较为完备的国产现代化铜板带热轧机组研制成功以来（解决了在线高温固溶处理技术难题），以及在中铝华中铜业、中铝洛铜、宁夏东方、晋西春雷、楚江科技等企业的成功实践，不仅大大提高了国产热轧机组的的整体装备水平和竞争力，也使C19400带材的产能与产品质量有了大幅度的提高，在满足国内市场的同时，已实现批量出口。 01 C19400合金成分及性能 C19400合金是在铜中加入Fe、Zn、P等低固溶度元素，属典型的析出强化型合金。根据合金元素及第二相在基体中的溶解度随温度的降低而减少的基本条件，利用热加工终了温度进行固溶处理，在随后的变形过程中将消除加工硬化退火和时效析出处理结合起来，使第二相尽可能得以充分的析出，进而提高合金的强度与导电率。 由Cu-Fe相图可知，在835℃时，面心立方的 微量合金元素的添加，能有效改善C19400的性能，但加入量要进行合理控制[3]。C19400合金化学成分及力学性能见表1。 表1 C19400合金化学成分及力学性能 Table 1 Chemical composition and mechanical properties of C19400 alloy 02 C19400热轧工艺特点 2.1 工艺流程 相比于紫铜、黄铜等铜及铜合金，C19400比较显著的特征是需要热轧后进行高温固溶处理。利用现代化铜板带热轧机组生产C19400的工艺流程为：铸锭再加热→铸锭出炉→热锭传送→铸锭对中→氧化皮吹扫→轧边辊轧边→多道次热轧→高温固溶处理→头尾矫直→带材冷却降温→空气吹扫→液压剪切头尾→带材卷取→料卷运输。 2.2 熔炼铸造 含Fe2.1~2.6%的C19400铜合金熔点为1090℃，固相线为1084℃，因而其液-固相区域较窄。一般铜液温度控制在1150~1190℃为宜，同时应采用较低的铸造速度。铸造时，随温度的降低，会析出一定量的二相粒子（ 某企业在生产时，采用转炉温度1247℃，铸造温度1186℃，铸造速度62mm/min，振动频率60次/min等工艺参数，生产出内部质量和外部尺寸都控制较好的210×620×8000mm规格的C19400铜合金大铸锭。 2.3 铸锭再加热 在C19400铸锭热轧前，应进行再加热，使内部元素扩散，降低铸造应力，利于热轧开坯。再加热温度一般低于固相线温度约100~200℃，但应能保证最难溶二相粒子的完全固溶。根据Cu-Fe 合金相图，C19400铸锭加热温度一般控制在930~980℃范围内，加热与保温时间正比于铸锭厚度而控制在3~5个小时内。 炉生一次氧化皮是C19400铸锭加热后表面最主要的氧化层。对C19400铸锭的加热温度、加热与保温时间、炉内气氛尤其是含氧量等进行有效控制可以减少铸锭表面的氧化皮厚度。生产时，现场采用表2中的工艺参数，有效保证了C19400的开轧、终轧温度，并减少了炉生一次氧化皮的厚度。 表2 C19400铸锭加热工艺参数 Table 2 Reheating processing parameter of C19400 casting 2.4 热轧 热轧的过程，也是控制轧制与控制温降过程。高速轧制、减少轧制道次、保证终轧温度、提高板形及表面质量等都是C19400热轧所追求的目标。图1所示为C19400带材热轧。 图1 C19400铜合金带材热轧 Fig. 1 Hot rolling of C194 00alloy strip C19400特殊的工艺需求给热轧机组提出了较高的要求，因此，在设备细节设计上考虑较为周到： （1）C19400铸锭出炉后热辐射温降约0.8~1.1℃/s，如要保证30℃以内的温降，铸锭出炉后的运输时间应保证在30s以内。通过减少加热炉到轧机的距离、改进铸锭出炉的方式，以及提高运输辊道速度等方法都有效满足了C19400开轧温度的需求； （2）在轧边辊设置上，改变以往线外大立辊的模式，在轧机内机前机后都设置了C型结构的轧边辊。在对边部质量进行控制、限制宽展的同时，参与轧制过程使带材形成后张力，进而有效改善了带材的板形； （3）为了减少带材温降，轧辊采用盒式冷却，减少了溅落到带材表面的乳液，同时也提高了带材的表面质量。 C19400铸锭热轧后要进行在线高温固溶处理，带材终轧温度最低不能低于710℃，而固溶处理后的温度应控制在300℃以下。所以，在热轧机组最高轧制速度在150~180m/min的前提下，如何保证C19400高于710℃的终轧温度就显得非常关键。其解决途径有：（1）提高热轧开轧温度；（2）减少轧制道次；（3）在线加热或保温。但加热温度的提高不能是无限制的，或者会导致过热、过烧，严重时无法热轧；而在线加热保温一般为炉卷轧机所使用的工艺。因而，铜板带热轧机组在实际应用时，只能在保证开轧温度的情况下，通过减少轧制道次，尽量提高轧制速度（会增大轧制力）的方式来进行C19400的控轧控温。 为了提高生产效率、减少带材温降、大压下充分破碎再结晶晶粒，机组在前期11道次试轧、9道次试轧基础上能够实现对210×620×8000mm规格的C19400大铸锭进行7道次大压下高速轧制，这在大铸锭铜板带生产工艺领域具有极其重要的意义： （1）体现了机组的较高控制能力； （2）突破了铸锭咬入工艺技术难题； （3）大压下能充分破碎再结晶晶粒，进而达到细化晶粒的目的； （4）减少了轧制时间，能够降低铸锭及带材表面的氧化层厚度； （5）单个铸锭实际生产时间可以节省5min左右，提高了生产效率； （6）节能降耗并减少人工时，有效降低产品的生产成本。 经过优化后的C19400大铸锭7道次轧制规程见表3。 表3 C19400铸锭7道次轧制规程 Table 3 7 pass rolling rules of 19400 casting 2.5 热轧后工序 C19400热轧后，要进行高温固溶处理，带材测温，头尾矫直，带材冷却降温，带材表面空气吹扫，对中，头尾剪切，三辊卷取，料卷运输与存放等工序。 在C19400高温固溶处理及带材冷却方面，其模式源自于钢铁行业生产高强度低合金钢时所使用的控制相变的层流冷却工艺。但相比高强度低合金钢有较为精确和重要的相变点、加速冷却工艺对组织的显著影响、层冷与空冷工艺的相互配合等对温度和工艺的极高要求，C19400在线固溶及冷却只要在满足高温固溶温度的同时，尽量提高冷却速度即可。冷却分段、粗精调的分区、用水量、温降模型、喷水模式等都可以进行简化或部分采用，主要存在一个用水节能和控制机组总长度的问题。图2为C19400带材在线高温固溶处理时的状况。 在压头辊的设置上，目前都为单辊压下，但由于C19400带材的回弹性较大，在实际生产中，若带材翘头严重，单辊压下和开口度不足的局限就显现出来。若合理配置开口式的三辊矫直设备，并增设液压事故剪，更能有效满足生产工艺的需求。
图2 C19400带材高温固溶处理 Fig. 2 High temperature solution treatment of C19400 alloy strip 由于层流水高温固溶、冷却降温后带材表面会带有一定厚度的水层或水膜，这会影响在线测温结果。因而需要在层流水装置后设置压力、气量、开口度都可调的压缩空气吹扫装置。但相比钢铁轧机，目前国内外铜热轧机现有的空气吹扫装置还需要进一步改进。 三辊卷取装置成本较低，也能够满足生产效率，利用三辊卷取后的C19400料卷基本能够满足生产要求及其后的双面铣削工序。因而，目前国内外铜板带热轧机组都使用三辊无芯、无张力卷取装置。但是从长远来看，若要有效提高生产效率，减少生产事故，降低卷取工艺的复杂性，提高卷取质量如表面光洁度、塔形、错层、松卷等，并有利于下一工序即双面铣削的开卷与生产，使用具有张力卷取、带钢制助卷器的有芯涨缩式卷取机还是很有必要。
03 C19400热轧带材分析 3.1 微观组织分析
图3 C194微观组织（a~d:1~4 # 带材试样）500× Fig. 3 Microstructure of C19400 alloy（a~d:1~4 # strip test sample）500× 现场在1~4 # 铜带的头部进行取样，进行微观组织的观察与分析，取样规格为45×45×15，mm。经高倍制样并浸蚀后，所观察到的组织如图3所示。 结果表明组织均为α基体+Fe相，无高倍缺陷。图3a，3b，3d为变形晶粒，3c基体为再结晶组织，晶粒平均直径为0.015mm。3a~3d组织中Fe相多以弥散质点状分布，少量以小颗粒状存在，质点状Fe相由于分布疏密不同形成与加工方向平行的条带状组织，条带状组织上的Fe相分布相对密集，3c条带状组织不明显，但质点状Fe相分布不均匀，局部质点状Fe相粒度较大、分布密集。 建议：在Fe相控制上，可以进一步采取均匀并优化合金成分、提高再加热温度等方式使Fe颗粒能够进一步固溶，其二相粒子能够以更细微、规则、均匀的方式弥散分布，进而充分发挥出其固溶、弥散强化的作用。 3.2 带材控温结果 热轧机组对C19400控制轧制的能力主要取决于机组的力能参数，但对带材的控温能力更能体现出机组的装机水平。 相比于紫铜、黄铜等，C19400合金在开轧温度、终轧温度、固溶开冷及终冷温度的要求上较为严格。以下为生产时的控温数据，较为理想的满足了C19400的生产工艺需求。开轧（第1道次）温度912℃，第2~6道次温度分别为：907℃、892℃、879℃、857℃、846℃，终轧（第7道次）温度：头部798℃，中部781℃，尾部717℃，淬火后带材头部温度为235℃。 3.3 板形及厚差 最能体现生产工艺与装备水平的是所生产的C19400热轧铜板带的板形、厚差及表面质量等。在实际生产中，除了在氧化皮去除、侧弯控制、料卷卷取质量等方面还可以进一步提高完善外，其它参数的控制都非常理想。 对C19400热轧铜板带进行轧后测量，带材宽度：头部宽648mm，中部宽646mm，尾部宽647mm，宽度最大偏差2mm；带材厚差：头部传动侧15.32mm、操作侧15.35mm，头部横向厚差0.03mm；中部传动侧15.32mm、操作侧15.34mm，中部横向厚差0.02mm；尾部传动侧15.30mm、操作侧15.295mm，尾部横向厚差0.005mm；纵向传动侧厚差0.02mm，纵向操作侧厚差0.055mm。以上数据都满足了宽度偏差≤3mm、横向及纵向偏差≤0.1mm的目标值。
图4 热轧铜板带侧弯定义示意图 Fig. 4 Side bend definition diagrammatic sketch of hot rolling Cu-strip 在对C19400带材进行侧弯的检测和分析上，首先需明确侧弯定义：如图4所示，沿着存在侧弯现象的热轧铜板带长度方向作一条直线ab，直线ab沿带材宽度方向作水平移动，当阴影面积S=S1+S2时停止直线ab的移动，此时L即为该铜板带的实际侧弯值。
图5 C19400带材长度与带材边部至辊道端部距离示意图 Fig. 5 C19400 strip length and distance of strip edge to roll table end diagrammatic sketch 在实际测量C19400带材侧弯值时，由于现场条件的限制，采用测量带材距运输辊道端头距离的方法来进行。图5为C19400带材长度与带材边部至辊道端部距离的示意图。 热轧后带材长度为102m，在长度方向上共测49个点，每2点间距为2m，测量全长为96m。头部距辊道端部为175mm，尾部距辊道端部为117mm，带材在辊道上偏移58mm。带材边部距辊道端部最远点为第42测量点，距离为205mm，第49点距辊道端部为175mm，带材全长最大侧弯为30mm。所以，生产出的C19400铜合金带材在侧弯的控制上也有效的满足了总长范围内不超过35mm（头尾各3000mm不计）的既定目标值。只是，在设备控制及工艺技术上还可以进一步减小侧弯的程度。
04 C19400热轧的改进 C19400合金的热轧生产，综合加工工艺与热轧设备来看，还有两个宏观关键点需要进一步完善。其一是带材表面氧化皮的控制与去除，其二是热轧带材侧弯的有效控制。 4.1 氧化皮的去除 目前，在大多数铜加工企业，氧化皮的形成一般都会造成1%~3%的材料损失，而且通常是工厂中成品率损失的最大来源。如何最大程度减少铜及铜合金铸锭在加热及轧制过程中产生的表面氧化皮问题一直是一项技术难题。 铜及铜合金铸锭表面所生成的氧化皮分为两类，一类为铸锭在加热炉内生成的一次氧化皮，另一类为铸锭出炉后在轧制过程中生成的二次氧化皮。这两类氧化皮都为铜与氧气或水蒸汽发生反应所产生，它们无法完全消除，只能够通过加工工艺参数的调整和特殊的设备来降低其厚度，进而在后续工序中通过铣削进行完全去除。铣削前铜板带氧化皮的厚度越小，生产时的能源消耗、人工时消耗、产品成本就越低，带材的表面质量也越好。 目前的研究成果及生产实践可以表明：加热温度、加热及保温时间、加热炉内的气氛、氧化层的结构、铜锭在加热炉内的容量、铜合金化学成分的抗氧化性、轧制道次压下率的分配方式等因素都直接或间接地影响和决定着氧化皮的厚度、组成及结构[4]。在这些因素当中，前三个因素是最主要的。 目前在国内外现有铜热轧机上，去除氧化皮的方法及装置在实际使用过程中或者由于压力小而使用效果差、或者会导致带材温降、或者由于板形不好导致无法使用、或者不能去除轧制前较厚的炉生一次氧化皮等问题而多遗弃不用或被改造。 综合考虑C19400带材温降、轧制效率、工艺和设备设置的合理性等方面，在氧化皮的去除方面可以采取以下方法： （1）添加抗氧化性的微合金元素如As、Cr、Te。不仅可以降低铜板带表面的氧化程度，还可以提高金属的力学性能。对合金成分合理搭配的情况下还可以降低生产的成本； （2）优化铸锭加热工艺参数。如在满足开轧温度需求的情况下，尽量降低加热温度、加热及保温时间等。同时将加热气氛中的含氧量控制在0.1%以下，甚至低至0.05%； （3）对炉生的较厚一次氧化皮必须先松动然后进行去除，轧制过程中破碎的氧化皮可以直接进行去除。去除的方式最理想的是用高压空气进行吹扫，也可以使用钢刷装置。 4.2 侧弯程度的控制 国内外热轧机组现有装机水平及生产工艺条件下，C19400热轧铜板带产品普遍存在侧弯现象，同时也伴随有带材在辊道上的跑偏（会进一步加剧侧弯程度），而且随着轧制道次的增加和带材的减薄，侧弯及跑偏现象都会逐渐加剧。 侧弯不仅影响到正常的轧制与下阶段的生产工序，而且增加了带材切边量、能源消耗、生产成本，并降低带材的成品率。C19400热轧铜板带侧弯现象在目前生产条件下几乎无法避免，而只能通过工艺、控制、设备等方法或手段来尽量降低其侧弯的程度。 由轧制原理可知：压下率增加，将使金属出辊速度增加而进辊速度减小，如果铜板带两边压下量不相等，则压下较大一边出辊速度较大而进辊速度较小，使铜板带出现侧弯，向着压下较小的一边继续偏移，同时咬入端轧件会向压下较小的那边偏移。因而，导致C19400铜板带侧弯的原因可以归为以下几类[5]-[6]： （1）APC和AGC控制的问题。该问题可以有效解决； （2）轧机两端的刚度差异及轧辊倾斜导致。该问题也可以解决； （3）铸锭或铜板带宽度方向上的温度分布不均。温差造成的侧弯可用轧辊倾斜来消除； （4）轧辊的辊型所导致。可以将上工作辊磨成一定的负凸度； （5）轧机前后的对中导尺不对中。对中不好对侧弯的影响非常大，如果前后导尺对中偏差方向相反，侧弯更难确定，此时使用轧辊倾斜反而会增加侧弯程度。 现场实际来看，在C19400的生产中，轧机不对中导致的侧弯最为普遍。相比于立辊轧机对钢板、铝板带的边部轧制，铜板带轧边辊的压下量较小，精度要求较高。因而，在设备调试及负荷生产时，应严格对机前机后的对中导尺进行标定，使对中导尺与轧制中心线的偏移尽量小，即使存在微小偏移，前、后导尺的偏移方向也应该一致，不能相反。同时，在生产时由于对中导尺会存在一定程度的震动，因此，合理使用旋转编码器对导尺进行距离与位置测量比使用直线位移传感器效果更好，能够进一步保证前后导尺的对中性。
05 结束语 本文论述和分析了C19400铜合金板带热轧生产的工艺需求、生产实践、产品状况以及热轧机组的装备技术特点。同时，进一步探讨了C19400大铸锭的控轧控温工艺规程，并指出了生产过程中的关键技术和提高、改进的方向。 通过对引线框架材料多年的研究，国内已经解决了C19400合金成分、性能等方面的关键技术问题。同时，加工设备的引进与开发，也使得C19400铜合金的生产工艺日趋成熟。国内引线框架铜合金材料目前已实现了规模化生产，有的企业年产量突破万吨并实现出口，有力的提高了国产高精度铜合金带材的竞争力。但相比国外C19400产品，还存在以下主要问题：（1）Fe、P等成分及生产工艺的不稳定性经常会导致C19400带材综合性能不稳定；（2）带材表面质量缺陷较多，尤其是表面起皮、划伤问题比较普遍。 这两个问题使得国产C19400产品的成品率一直处于较低水平，而且无法真正进入高端市场。改进并稳定加工工艺、洁净化生产、对析出粒子的形貌与分布进行有效控制、建立合金综合性能的预判定与检测闭环系统等措施，是国内C19400合金研发与改进的方向，只有这样，才能使国产C19400合金的成品率得到提高，并具备进入高端应用领域的条件。
参考文献 [1] 刘凯，柳瑞清，谢春晓．C194铜合金的强化机制概述．热处理，2007；22 (1)：24~28． [2]刘平，赵冬梅，田保红．高性能铜合金及其加工技术[M]．北京：冶金工业出版社，2005． [3]兰利亚，李耀群，杨海云．铜及铜合金精密带材生产技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009． [4] 余万华，周斌斌，陈龙．去除氧化铁皮的新方法介绍．金属世界，2010； (3)：46~51． [5] 李振兴，胡贤磊，刘相华．中厚板侧弯与楔形的关系分析．轧钢，2010；27 (4)：10~12． [6]王廷溥．金属塑性加工理论-轧制理论与工艺[M]．北京：冶金工业出版社，1998．  北方中冶(北京)工程咨询有限公司承办的“中国新能源材料与器件第三届学术会议”定于2019年8月9日-11日在江西省新余市召开。 |
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-Fe转变为体心立方的
