T2 純銅鑄錠質量改進及薄帶折彎改善研究

劉兆洋，張 英，關騰飛，魯長建

（凱美龍精密銅板帶（河南）有限公司，河南 新鄉 453000）

1 引言

T2純銅，美標牌號為C11000，Cu含量≥99.9%，通常外觀呈紫紅色，又稱紫銅。具有良好的導電導熱性能、抗腐蝕性能、加工成形性能、可焊性能、拋光性能和表面處理性能等，廣泛應用于電工及電子工業［1］。T2純銅含微量氧和雜質，熔煉過程中吸氣傾向嚴重，如鑄造工藝或澆注方法不合理，銅液脫氧，排氣，

除渣不徹底，容易產生氣孔、裂紋、夾渣、氧超標等鑄錠質量缺陷［2］。銅帶在后續加工過程中，經常存在織構和各向異性，薄帶沖壓時，折彎沖壓處會產生橘皮粗糙及開裂現象［3］。本文根據現場鑄造經驗，通過對鑄錠質量缺陷產生機制分析，制定了相應的改善措施并進行了多爐次的試驗，總結出了一定的工藝經驗，有效地解決了鑄錠氧含量和內部氣孔缺陷問題，改善了薄帶折彎性能。

2 鑄錠質量缺陷原因分析及改進

目前，我司生產的T2純銅寬幅鑄錠單根重量超12t，規格寬×厚×長為720mm×220mm×9000 mm，熔煉設備采用非真空中頻無芯感應電爐，生產過程采用敞開式澆注方式，保溫爐中液態金屬經過中間包（流槽）直接進入結晶器，通過鑄造機下牽引，完成整個鑄造過程。生產前期，由于鑄錠規格大，鑄造時間長，銅液熔煉脫氧工藝和鑄造工藝不成熟，出現了鑄錠氧含量超標，氣孔，裂紋等質量缺陷問題。本文主要講述了鑄錠O2含量超標和鑄錠內部針眼氣孔生成原因及改進措施。文中銅液檢測樣品從熔爐中取出，采用美國LECO ON736測氧儀對銅液及鑄錠樣品O2含量進行檢測分析，采用瑞士Thermo ARL4460光譜儀對樣品除O2外的其他元素含量進行檢測分析。

如表1［4］所示，國標中O2含量雖無明確要求，但實際生產中T2銅中保留微量的氧，一方面對銅性能的影響不大，另一方面Cu2O可與Bi,Sb，As等雜質起反應，形成高熔點的球狀質點分布于晶粒內，消除了晶界脆性。但氧含量過高，材料內部會有過多的Cu2O［5］及CuO氧化物存在，過多的氧化物會降低材料的致密度，導電性，影響銅帶機械性能及銅帶耐熱性能?？蛻舾鶕牧鲜褂铆h境，對T2純銅氧含量都有一定要求，一般要求氧含量≤400PPM。因此，工廠會制定嚴格的O2含量控制標準，一般O2含量控制在50~200PPM，以滿足銅帶性能質量及客戶需求。

表1 T2純銅國標化學成分

2.1 鑄錠O2含量超標原因分析及改善措施

2.1.1 鑄錠O2含量超標原因分析

根據實際生產經驗分析，鑄錠O2含量超標主要有鑄造前銅液脫氧不徹底，

鑄造過程中銅液保護不當兩方面原因。

（1）鑄造前銅液脫氧不徹底。

綜合生產經驗分析，原材料潮濕不干燥，熔化過程中，水分解成氧氣進入高溫銅液中。熔煉過程吸氣，熔化過程中，銅液沸騰劇烈，銅液覆蓋不嚴密。爐襯材料及生產輔料及工具不干燥，使用過程中，水分解成氧氣進入高溫銅液中。覆蓋劑類型及添加方式不當，覆蓋劑功效性與合金銅液熔體特性不匹配為導致銅液脫氧不徹底可能原因。

針對以上原因，通過現場采取對原材料嚴格管控，熔化期間嚴格執行覆蓋要求，生產前對爐襯材料及生產輔料及工具提前預熱的措施，銅液氧含量超標問題依然無明顯改善。因此得出，覆蓋劑類型選用不當或添加方式不當為銅液脫氧不徹底主要原因。

（2）鑄造過程中銅液保護不當。

綜合生產經驗分析，鑄造期間，保溫爐澆口與中間包接觸處密封性差，中間包中銅液覆蓋不嚴密，結晶器上沿銅液覆蓋不嚴密，為銅液保護不當可能原因。

針對以上原因，經現場跟蹤，鑄造期間，操作人員對中間包和結晶器中銅液嚴格執行覆蓋要求，整個鑄造過程中，無銅液裸露現象發生。因此得出，保溫爐澆口銅液轉注時，澆口與中間包接口處密封不嚴，銅液有裸露現象發生，氧氣熔入銅液中為銅液保護不當主要原因。

2.1.2 鑄錠O2含量超標改善措施

根據2.1.1節中鑄錠O2含量來源原因分析，得出鑄錠O2來源原因主要為熔煉時銅液覆蓋劑類型選用及覆蓋方式不當。鑄造過程中，保溫爐澆口轉注時，澆口與中間包接口處密封不嚴，銅液有裸露現象發生，氧氣熔入銅液中。針對以上原因特制定以下兩個改進措施：

改進一：選用新型覆蓋劑，優化覆蓋劑添加方式。

圖1（a）原工藝中熔爐銅液采用木炭加磷銅進行脫氧，木炭雖然具有一定的還原除氧作用，但木炭燃燒燒損嚴重，除氧效果有限，僅使用木炭進行覆蓋，出爐銅液氧含量維持在160PPM左右，氧含量較高，需使用磷銅對銅液進行脫氧，磷銅雖可有效除氧，但T2純銅中P元素屬于嚴控有害雜質元素，磷銅脫氧時，磷銅添加量難以控制，生產時脫氧時間長且雜質P含量難以控制。圖1（b）新工藝流程相對傳統工藝流程，主要差異為，使用新覆蓋劑代替木炭、不再使用磷銅脫氧劑進行脫氧、保溫前使用碳粉代替木炭對銅液進行覆蓋。

圖1 原工藝與新工藝流程

如表2試驗結果可知，新工藝流程，在不使用磷銅的情況下，出爐銅液氧含量由原來的131PPM降低至26PPM左右，銅液脫氧效果明顯，同時簡化了脫氧工藝，縮短了脫氧時間，提高了生產效率。

表2 新原脫氧工藝銅液氧含量試驗數據

改進二：改造保溫爐澆口，增加中間包氮氣保護裝置。

對保溫爐澆口和中間包進行改造，在保溫爐澆口流道處增加石墨材質澆口，在中間包增加氮氣保護裝置。

如表3和表4測試數據所示，改造后中間包中銅液鑄造期間得到有效防護，銅液氧含量較改造前降低96PPM左右，效果明顯。改進后銅液和鑄錠O2均含量和P均含量得到有效控制，銅液O2含量由原來的131PPM降低到26PPM以下，P含量由原來的52PPM降低到11PPM以下。鑄錠O2含量由原來的334PPM降低到133PPM以下，P含量由原來的45PPM降低到8PPM，銅液脫氧效果明顯，同時雜質P含量得到有效控制。

表3 改造前后中間包銅液氧含量測試數據

表4 新原工藝鑄錠氧含量測試數據

2.2 鑄錠內部氣孔原因分析及改善措施

2.2.1 鑄錠內部氣孔原因分析

氣孔可分為皮下氣孔、圓氣孔、條狀氣孔、針眼氣孔等類型［6］，具體形成原因各有差異。我司鑄錠內部氣孔類型如圖2（a）所示，主要為針眼氣孔，大量針眼氣孔均勻分布在鑄錠整個橫截面。經分析導致鑄錠針眼氣孔原因主要為，鑄造工藝參數不匹配，熔體中氣體無法及時排出。

2.2.2 鑄錠內部氣孔改善措施

針對2.2.1節中鑄錠內部氣孔產生原因分析，制定了6組不同鑄造參數組進行測試試驗。

如表5中試驗數據所示，在測試1，2，3中，當鑄造溫度和冷卻水流量不變，鑄造速度增加或減小，相對于原工藝鑄錠內部氣孔無明顯改善。在測試4，5，6中，當鑄造溫度和鑄造速度不變，冷卻水流量逐漸減小，鑄錠氣孔缺陷逐漸減少，當鑄造溫度為a，鑄造速度為140mm/min，一次水流量為（b-12）m3/h，二次水流量為（c-20）m3/h，鑄井水位為 6m時，最終氣孔消失，鑄錠鋸切面如圖2（b）。

圖2 新原工藝鑄錠鋸切面

表5 測試鑄造參數組數據及結果

3 銅帶O2和P元素含量對折彎性能的影響

根據長期銅合金帶材生產經驗及客戶使用效果反饋，發現銅帶中不同O2和P元素含量對折彎性能有很大影響。當銅帶氧含量大于100PPM，P含量低于20PPM時，銅帶折彎處會出現橘皮，粗糙，甚至開裂現象，如圖3（a）所示。當銅帶氧含量小于100PPM，P含量在（m~n）PPM時，銅帶折彎處光滑，無開裂現象，折彎處折彎質量明顯提高，如圖3（b）所示。

圖3 T=0.8mm銅帶：90° BW，r= 0.3 mm折彎

4 結論

（1）在T2純銅熔煉過程中，使用新型覆蓋劑及優化覆蓋劑添加方式，可簡化脫氧流程，在不使用脫氧劑情況下，有效降低銅液氧含量至26PPM以下，避免了脫氧劑元素殘留在銅液中，增加了銅液純度。鑄造過程中，通過對中間包增加氮氣保護、保溫爐流道增加石墨澆口等密封防護，可有效減少銅液轉注過程中吸收氧氣。

（2）T2純銅鑄造過程中，鑄錠的冷卻強度會直接影響熔體的氣體排出，合適的冷卻強度會消除鑄錠內部氣孔缺陷，提高鑄錠內部質量。

（3）T2銅帶中，合適的O2和P元素含量配比，可有效解決薄帶折彎開裂問題，改善薄帶折彎性能。