水平连铸铜板坯冷轧带材表面缺陷问题研究_郑莲宝.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：郑莲宝,徐勇,王松伟,梅伟,刘羽飞.水平连铸铜板坯冷轧带材表面缺陷问题研究J.铜业工程,2023(1):57-65.水平连铸铜板坯冷轧带材表面缺陷问题研究郑莲宝1，徐勇2，王松伟2，梅伟3，刘羽飞3（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.中国科学院金属研究所，师昌绪先进材料创新中心，辽宁 沈阳 110016；3.江西铜业集团铜板带有限公司，江西 南昌 330096）摘要：电子设备朝着集成化、轻薄化和小型化发展，要求铜板带不仅具有良好的性能，更要满足高精度和高表面质量。本文针对某企业水平连铸生产的铜板坯冷轧后带材表面缺陷展开研究，采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）分析、工业CT等手段观察了各类缺陷宏微观形貌并研究了形成的机理，并对带材表面缺陷产生原因和改善措施进行了探讨，为生产实践提供借鉴。关键词：铜板带；水平连铸；冷轧；表面缺陷；工艺优化doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.006中图分类号：TG245；TG339 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0057-091 引 言近年来随着电子信息产业、智能制造业、新能源交通和半导体行业的发展，高性能、高表面质量铜带材的需求量日益增加。据相关统计，自 2008年至 2018年中国铜带材的产量从 87.5万 t增长至185万t，预测在2023年将达到372.1万t1。铜带材的应用十分广泛，可用于制造引线框架、插接元器件、各类端子、弹簧、开关等2。随着电子元器件向微型化、集成化、使用周期长的方向发展，对铜带材的表面质量和性能也提出了更高的要求。目前针对铜带表面缺陷识别、质量检测、表面处理技术方面的研究较多，而针对铜带表面缺陷表征、缺陷分析、解决措施方面的相关工作较少。徐扬欢等3和张学武等4在表面缺陷检测手段上建立了基于Efficient Net卷积神经网络和仿生机理的检测模型；高铭余等5通过对铜带材表面处理从而提高带材表面的使役性能；对于铜带材表面的缺陷问题，陈浩兵6在消除铜带表面的乳化斑现象方面进行了相关研究；张文芹等7对铜带表面缺陷进行了宏观分类，但没有进行系统分析研究。本文针对实际水平连铸生产的紫铜和青铜板坯在冷轧后带材表面出现的几种典型表面缺陷进行分类和表征，分析其成因并提出了相应的解决措施。2 常见铜带材表面缺陷及原因分析水平连铸坯经轧制得到的带材表面往往存在一些缺陷，常见的带材表面缺陷有起皮、白点、挫伤、裂边、乳化斑、气泡、氧化腐蚀等。这些表面缺陷会严重影响带材的表面光洁度、折弯性能、电导率和弹性模量等，导致产品的良品率和成材率下降。2.1起皮2.1.1缺陷表征图1为锡磷青铜冷轧带材表面“起皮”缺陷，图1（a）为起皮缺陷的宏观形貌，起皮形式为沿轧向呈条带状分布，其长度约3.5 mm，宽度约0.5 mm。通过对图1（b）中起皮缺陷的金相观测可知，起皮位置组织破碎且存在密集的裂纹。进一步采用扫描电镜对起皮位置进行观察结果如图2（a）所示，由图可知起皮位置处的表层组织与基体出现分层现象，内层含有凝固不完全所致的不连续组织，裂纹存在未被完全压合的倾向。2.1.2原因分析由图2（a）分层处的微观形貌可知，分层处界面较光滑并非在后续轧制过程中撕裂所致，而是在轧制变形前铸坯内部就已经存在孔洞类缺陷。起皮缺陷与铸锭内部质量密切相关，当铸锭中存收稿日期：2022-10-25；修订日期：2022-12-07作者简介：郑莲宝（1998），男，河北定州人，硕士研究生，研究方向：铜板带缺陷研究，E-mail：；通信作者：王松伟，博士，E-mail：57总第179期铜业工程Total 179在气孔、疏松等孔洞类缺陷时，在后续的轧制过程中随着轧制变形量的增加而暴露到表面。疏松缺陷是在凝固过程中由于熔液不能及时补缩而形成的，也与补缩通道是否贯通有关8。如图 3所示，疏松缺陷多存在于沿铸坯表面向心部方向生长的柱状晶之间，由于枝晶相互搭接，造成补缩通道堵塞在凝固收缩时金属熔液不能及时补缩所致。在后续的轧制变形过程中，当轧制变形量和铸坯内部孔洞类缺陷密度两个参数相匹配，即轧制变形量足够大，且铸坯内部孔洞类缺陷较多时，就会演变为带材表面的起皮缺陷。由表1元素种类和含量可知，起皮位置并不含Al，Fe，Si等杂质元素，因此排除了杂质元素与基体形成的脆性夹杂物导致的板带表面起皮。为进一步分析验证对水平连铸坯进行了工业CT和金属探伤仪超声波探伤检测，发现铸坯内部存在大量直径超过当量尺寸2 mm的孔洞缺陷，并对检出的缺陷位置取样进行OM观测，结果如图4所示。图1起皮缺陷宏观形貌尺寸及金相观测（a）起皮缺陷宏观形貌尺寸；（b）起皮缺陷金相观测Fig.1Macroscopic morphology，size and metallographic observation of peeling defects（a）Macroscopic appearance and size of peeling defects；（b）Metallographic observation of peeling defects图2起皮缺陷形貌及AC取样点能谱图（a）起皮缺陷扫描电镜形貌图；（b）A点；（c）B点；（d）C点Fig.2 Appearance of peeling defects and energy spectra of AC sampling points（a）Scanning electron microscope topography of peeling defects；（b）Point A；（c）Point B；（d）Point C2.1.3改进措施针对板带表面起皮问题，可从以下几方面进行改善：（1）从熔铸阶段入手充分除气、脱氧，从而减少铸坯内部气孔和疏松缺陷，使得铸坯在轧后获得较好的表面质量。（2）水平连铸结晶器固液两相区处加入电磁搅拌设备，研究发现9-12加入电磁搅拌后，熔液中产生的环流使得铸坯内的气孔减少。由于金属熔体转动加强了对石墨模具表面的冲刷作用，促进了在石墨模具表面的异质形核。加入电磁搅拌设备后，晶粒形态由粗大的柱状晶转变为细小的柱状晶，从而减少了由枝晶搭接造成的内部疏松、缩孔和反偏析现象的发生，使得铸坯的致密度提高，轧后带材的表面质量更好2.2白点2.2.1缺陷分析冷轧铜带材表面有时出现较明亮的点状缺陷，称为“白点”，图5（c）为SEM下观察到的白点缺陷微观形貌，一般为点状杂质颗粒夹杂在带材基体内部且形状不规则，随轧制变形量增加上升到带材表面，尺寸为几十微米左右。表1图2中AC取样点EPS分析Table 1EPS analysis of sampling Points AC in Fig.2图3疏松形成原理Fig.3Principle of porosity formation图4铸坯内部探伤及金相验证（a）探伤位置及结果；（b）A点；（c）B点；（d）C点Fig.4Internal flaw detection and metallographic verification of casting billet（a）Detection location and results；（b）Point A；（c）Point B；（d）Point C58郑莲宝等 水平连铸铜板坯冷轧带材表面缺陷问题研究2023年第1期2.1.3改进措施针对板带表面起皮问题，可从以下几方面进行改善：（1）从熔铸阶段入手充分除气、脱氧，从而减少铸坯内部气孔和疏松缺陷，使得铸坯在轧后获得较好的表面质量。（2）水平连铸结晶器固液两相区处加入电磁搅拌设备，研究发现9-12加入电磁搅拌后，熔液中产生的环流使得铸坯内的气孔减少。由于金属熔体转动加强了对石墨模具表面的冲刷作用，促进了在石墨模具表面的异质形核。加入电磁搅拌设备后，晶粒形态由粗大的柱状晶转变为细小的柱状晶，从而减少了由枝晶搭接造成的内部疏松、缩孔和反偏析现象的发生，使得铸坯的致密度提高，轧后带材的表面质量更好2.2白点2.2.1缺陷分析冷轧铜带材表面有时出现较明亮的点状缺陷，称为“白点”，图5（c）为SEM下观察到的白点缺陷微观形貌，一般为点状杂质颗粒夹杂在带材基体内部且形状不规则，随轧制变形量增加上升到带材表面，尺寸为几十微米左右。表1图2中AC取样点EPS分析Table 1EPS analysis of sampling Points AC in Fig.2元素CuSnPAw/%93.296.000.70 x/%95.253.281.47Bw/%79.1520.85-x/%87.6412.36-Cw/%77.3422.66-x/%86.4413.56-图3疏松形成原理Fig.3Principle of porosity formation图4铸坯内部探伤及金相验证（a）探伤位置及结果；（b）A点；（c）B点；（d）C点Fig.4Internal flaw detection and metallographic verification of casting billet（a）Detection location and results；（b）Point A；（c）Point B；（d）Point C59总第179期铜业工程Total 179由图5（a，b）SEM结果可知，颗粒状杂质位于光滑的带材表面呈点状分布，其形貌与基体存在明显差异，因此推断是由带材内部的杂质元素在凝固过程中形成的杂质颗粒。为验证假设，选取图5（a，b）中的典型的高亮位置 14 点进行 EDS 分析，从而确定白点内部的元素种类和含量，EDS结果如图6和表2所示。通过分析取样白点处的 EDS可知，白点处均含有较高的氧元素。通过1，2点的元素组成判断此处存在铜的氧化物，而3，4点处不含铜元素，高亮处为杂质元素形成的金属化合物夹杂。2.2.2原因分析经上述分析，由 1，2取样点的氧元素含量过高，通过铜和氧原子的含量百分比可知，O元素与Cu反应形成了Cu2O后与基体形成了Cu-Cu2O共晶体，并在晶界上呈网状分布13。3，4 点存在 Na，K，Cl，O等元素而没有Cu元素，因此为单纯的杂质元素组成的化合物，这些夹杂物存在于基体内部，随轧制变形量的增加上升到带材表面，从而使图5白点各典型位置形貌图（a）A点形貌；（b）B点形貌；（c）宏观白点缺陷形貌Fig.5Morphologies of typical white spots（a）Morphology of point A；（b）Morphology of point B；（c）Macroscopic white spot defect morphology图6图5中14取样点能谱图（a）A中1点；（b）A中2点；（c）B中3点；（d）B中4点Fig.6Energy spectra of sampling points 14 in Fig.5（a）Point 1 in A；（b）Point 2 in A；（c）Point 3 in B；（d）Point 4 in B带材表面出现异质颗粒。2.2.3改进措施解决铜带材表面白点缺陷，需要去除铸锭内部氧化夹杂，关键在于合金熔炼过程中的除气除杂，主要包括密度差法、吸附法、与杂质发生化合反应和捞渣14。（1）首先可以添加稀土元素如La和Ce等，由于稀土元素比较活泼可以与熔体中的氧元素反应进而净化基体，另外还可加入精炼剂造渣，去除熔体中的各种杂质离子。（2）在熔铸过程中可向熔体内吹惰性气体，如氮气、氩气等。气泡在上升的过程中会吸附熔渣并带到熔体表面，最后对表面的熔渣进行捞渣以保证熔体的纯净。通过减少熔体内部杂质元素的含量，来减少带材表面的“白点”现象。2.3挫伤2.3.1缺陷分析图7为带材表面挫伤缺陷，挫伤的形貌为线条状和团簇状，并沿轧向和垂直于轧向分布。2.3.2原因分析挫伤缺陷主