KFC引线框架材料连续挤压产品气泡和夹杂缺陷的研究

2014-09-25孙海洋闫志勇樊志新

锻压装备与制造技术 2014年4期

孙海洋，闫志勇，樊志新

（1.大连交通大学连续挤压工程研究中心，辽宁大连 116028；2.大连康丰科技有限公司，辽宁大连 116100）

引线框架材料在集成电路中起着固定芯片、保护内部元件、传递电信号并向外散发元件热量的作用，其在集成电路器件和各组装程序中占有极重要的地位。而铜-铁-磷系的KFC是最具代表性的铜合金引线框架材料之一，其具有优良的导电率，较好的强度和耐热性能，在电子、IT、通讯等行业得到广泛应用。

采用连续挤压的方法生产KFC引线框架材料近几年已经开始在国内应用推广。其生产工艺流程如图1所示。

图1 连续挤压法生产工艺流程图

但是采用连续挤压法生产的KFC引线框架材料产品有时仍存在一些质量问题。本文主要以生产实际为基础，研究KFC引线框架材料连续挤压产品出现的气泡和夹杂缺陷，找出其产生原因并提出解决办法或预防措施。

1 KFC引线框架材料连续挤压产品的主要缺陷及危害

1.1 气泡

图2 KFC带坯表面气泡缺陷

KFC引线框架材料连续挤压产品的气泡缺陷主要分两类，一是挤压过程中出现的挤压气泡，其次是在连续挤压后的退火工序中出现的退火气泡。

气泡缺陷对产品质量的影响主要有：①气泡在表面，如果出现在靠近带坯卷料的一端，则可以去除该部分，只要剩余的卷料满足下游用户对最小卷重的要求，就可以进入下工序加工；②气泡在表面，但出现在卷料的中间部分，缺陷段被去除后造成卷料被切断，如果切出的单卷重量达不到最小卷重的要求，则整卷带坯报废；③气泡在内部，通常情况下，由于生产过程中没有先进的检测手段，则有缺陷的坯料容易流入下工序加工，但在后继加工中被暴露出来，则仍需要采用前述的方法处理。气泡缺陷无论出现在带坯的表面还是内部，都会对生产企业和下游用户造成损失。

1.2 夹杂

图3所示为KFC带坯表面夹杂缺陷，但是无论是表面夹杂还是内部夹杂，当夹杂出现在带坯或半成品的表面被发现，则可采用气泡缺陷的处理办法，但是当夹杂在内部，经过后继加工仍不能被发现，并在最终产品抽检或使用中被发现，则整批最终产品将报废，生产企业和下游用户都将遭受巨大损失。

图3 KFC带坯表面夹杂缺陷

2 气泡缺陷的产生原因和解决办法

2.1 气泡缺陷的产生原因

KFC引线框架材料连续挤压产品出现气泡缺陷的根本原因在于有气体进入到产品中。其气体的来源分析如下。

2.1.1 上引KFC铜合金杆中的气体

上引连铸原理如图4所示，在一定的牵引力作用下，铜银合金液上引结晶凝固。金属液是自上而下凝固，与普通的铸造凝固方式相反。采用上引铸造法时，铸杆自上而下凝固过程中，结晶前沿气体的过饱和度很高，当气体达到一定的过饱和度时，完全能依靠自发形核长大成气孔，很容易在铸杆中形成气孔[1]。和空心杆等缺陷[7]。

图4 上引连铸原理图

2.1.2 上引KFC杆料表面被氧化或污染

KFC杆料被上引生产出来后，往往需要等待一段时间才能进行连续挤压加工，在存放过程中，尤其是较潮湿的大气环境中，杆料很容易表面氧化，从而在连续挤压过程中产生气体，形成气泡缺陷。

生产过程中，成卷的杆料需要吊运装卸，操作人员手套或吊带上的油污，都可能对杆料表面产生污染，当进入连续挤压过程中时，产生气体，形成气泡缺陷。其次，即使是干净的手套和吊带，但由于上引的KFC杆料表面粗糙，刮蹭手套或吊带产生的线头附着在杆料上，也会产生气泡。而且，当杆料与设备、地面等有油漆或涂料表面磕碰或放置时都有可能附着上杂物造成气泡。

另外，有杆料运输或存放过程中包装破损，造成杆料表面被灰尘污染，当灰尘在连续挤压工程中被加热，产生气体。

2.1.3 连续挤压过程中带入的气体

由于连续挤压生产KFC引线框架材料时，其生产起始阶段需要加入一定长度的加热后的短杆料，杆料与杆料端头必然有间隙，从而把气体带入。其次，连续挤压实际生产中有时候会使用接杆的方法使生产连续进行，但由于接杆的端头部位，没有采用加工处理，使气体带入。

连续挤压生产过程挤压轮、腔体、挡料块等间隙调整不当或者在使用过程中由于工模具变形或磨损造成间隙变化，使挤压轮槽KFC金属层出现鼓包或翘起，如图5所示，该部分再次进入挤压过程时，可能产生层叠，带入气体。

图5 挤压轮槽KFC金属层出现鼓包

在熔炼气氛中，与铜合金液接触的气体中H2和O2可溶于铜，其中H2以氢原子[H]形式溶于铜，O2则以Cu2O形式溶于铜合金液。而无氧铜银合金杆中的气孔主要是由于在熔铸过程中存在H2O(g)=[O]+2[H]的平衡反应，溶于铜液中的氢和氧在凝固时发生水蒸汽反应而形成气孔[2-6]。

上引速度对杆料组织结晶的影响。由于金属凝固过程总是从铸杆表面开始，向中心逐渐扩展的，因此，液穴应是倒碗形状的。上引速度过快，将使铸杆中心与边部的温差增大，液穴高度增加，易产生气孔

其次，由于上引速度不合适、结晶器故障、牵引器调节不合适，造成上引杆表面不平滑，粗糙度增加，连续挤压过程时，较深的凹坑，可能产生叠盖，带入气体。

由于上引速度过快或过慢时，都使杆料表面或内部产生裂纹，当这部分杆料进入连续挤压过程中时，带入气体。

2.2 气泡缺陷的解决及预防措施

图6 KFC上引杆表面粗糙度过大

对于KFC引线框架材料连续挤压中出现的气泡缺陷，可根据其产生原因的不同，采取相应的措施进行解决和预防。

（1）由上引工艺造成的气泡，可以对上引工艺采取控制措施：严格保证熔液金属表面覆盖木炭的干燥程度、颗粒大小、覆盖层厚度；合理控制熔炼温度，尽可能采用低温熔炼和铸造，减少熔液高温时间，表面氢和氧的含量随温度升高而升高；采用合理的上引速度，兼顾生产效率和产品质量。

（2）减少杆料等待使用的时间，减少氧化、灰尘污染的几率，杆料的生产与连续挤压用料时间匹配，尽量做到正常情况下产用平衡。生产过程中严禁有污物的手套、吊带、挂钩等防护设备和用具与KFC杆料的接触。杆料不能直接放置在地面或其他有油漆涂料的表面，严禁在地面或设备表面拖行。生产过程中杆料容易接触到的漆面或涂料表面，可以做防护或直接去除。杆料长途运输，必须包装完好，做好防氧化、防潮、防尘的防护。对于较严重的氧化或污染，在杆料进入连续挤压机之前，采用设置杆料预处理和清洗装置，去除氧化层和污染物，保证产品质量。

（3）连续挤压生产初始阶段由于加入了短料，属于工艺规范内容，不可避免，建议初始产品直接剪短不用。购置接头设备，真正把长杆料连接起来，也可以通过测算，尽量保证杆料与单卷重量成整数倍关系，提高原材料利用效率。日常生产前严格检查工模具使用情况，合理调整间隙，减少缺陷产生。选用合适的上引速度，注意上引设备的日常维护，多方提高产品质量。

3 夹杂缺陷的产生原因和解决办法

3.1 夹杂缺陷的产生原因

根据生产中的实际情况，KFC引线框架材料连续挤压生产过程中产品夹杂缺陷主要有五类情况。

3.1.1 上引夹杂

上引过程中由于木炭本身或木炭中的杂物在铜合金熔液中，凝固后在杆料表面或内部形成夹杂，如图7所示。

图7 KFC上引杆表面夹杂

3.1.2 工模具破损夹杂

由于连续挤压过程是一个高温高压的生产过程，工模具在正常情况下使用，会逐渐变形或损坏，其变形破损掉屑产生夹杂。

挤压轮由于生产过程中温度周期性变化，容易产生热疲劳后碎裂掉屑，其次压实轮一直把杆料压入轮槽，会逐渐把挤压轮的轮槽口磨平损坏，其掉屑也会产生夹杂，如图8所示。

图8 挤压轮槽口损坏

模具、刮刀、挡料块、腔体、进料导板、压实轮等与变形金属直接接触的零部件，在长期的连续挤压生产过程中也会因为变形、磨损、冲击等掉屑，并产生夹杂。图9所示为模具变形磨损。

图9 模具磨损变形

3.1.3 溢料夹杂

溢料夹杂是指在连续挤压过程中的溢料进入到挤压产品中形成的夹杂。

如图10所示，刮刀由于间隙调整不合适或磨损，溢料未被刮净，并随挤压轮转动部分会被压实轮压入挤压轮槽进入连续挤压过程中，造成夹杂。

图10 压实轮压入溢料

刮刀附近出现少量不规则溢料的堆积，如图11所示，这些溢料如果被带入连续挤压过程，就形成夹杂。

图11 溢料在刮刀处堆积

特殊情况，曾经发生溢料翻卷到刮刀上方的挤压轮槽内，被带入挤压过程造成夹杂。

3.1.4 氧化物夹杂

KFC铜合金由于在高温下停留时间过长或自身温度过高而发生氧化，部分氧化物如果未被作为溢料及时带出或清除，氧化物进入连续挤压过程中，造成夹杂。

压实轮的出料方向，由于进料导板的阻挡，会产生氧化物堆积，这些氧化物进入连续挤压过程中，形成夹杂，如图12所示。

图12 压实轮处的氧化物

连续挤压结束后，腔体进料入口处会附着少量铜合金，并逐渐氧化，再进行连续挤压生产时，氧化物进入连续挤压过程形成夹杂，如图13所示。

图14所示为靴座、进料导板和腔体之间的间隙未做配合调整，致使在间隙台阶处产生KFC铜合金氧化物产生，这些氧化物进入连续挤压过程中，形成夹杂。

图15所示为腔体和挤压轮之间的密封面过宽，造成溢料阻力过大无法溢出，停留后造成氧化，氧化物进入连续挤压过程产生夹杂。

图13 氧化物附着在进料入口处

图14 靴座、进料导板和腔体间隙过大

图15 腔体和挤压轮的密封面过宽

3.1.5 杆料屑夹杂

KFC杆料在上引过程中，由于牵引部分需要提供足够的牵引力，为增大摩擦，牵引轮需要加工较深的齿纹，这些齿纹有时候会像锉刀一样在KFC杆料表面形成金属毛刺和产生碎屑。其次在盘卷过程中杆料之间的摩擦，会造成杆料表面出现微小的金属屑，而这些杆料上的金属毛刺和碎屑如果在连续挤压生产时未被及时清理，进入连续挤压过程中，形成夹杂。

3.2 夹杂缺陷的解决及预防措施

由于KFC引线框架材料连续挤压产品中夹杂产生的原因及来源的不同，应该采取不同的措施进行解决和预防。

（1）上引夹杂主要来自于上引工艺和原材料本身。金属熔液上覆盖的木炭要经过严格筛选，保证无杂物、灰尘，并做到烘干投放。原材料投入时要保证清洁和干燥，尤其在投入KFC产品边角余料、废品等条料或片料时，要保证无其他金属或杂物混入，表面无污染后灰尘等。

（2）挤压轮碎裂或磨损造成的夹杂，需要按照工艺规范合理调整刮刀与挤压轮的间隙，以及挤压轮和腔体之间的间隙，避免挤压轮过度磨损。平时开机注意挡料块的磨损和变形，如出现镦粗、裂纹等现象，需要及时更换。模具的变形和掉屑，需要改进模具结构，从使用成本方面考虑选用合适的模具材料，每次装配模具，要注意观察模具的使用情况。压实轮压下量调整合理，避免过大的压下量造成压实轮磨损和镦粗。刮刀平时间隙按照工艺规范设定，刮除轮槽余料时进给要合理，避免过大冲击造成刮刀断裂。其次，要严格要求操作者，每次停机后和开机前都要仔细检查连续挤压过程中与KFC金属接触相关零部件的情况，平时做好生产记录，保证工模具在正常的使用寿命内工作。

（3）溢料夹杂的解决，需要合理调整刮刀和挤压轮槽的间隙，保证溢料清除干净，对于磨损的刮刀要及时更换。日常生产，操作者要及时清理机架中间的溢料，避免溢料堆积。其次，每次停机后及时清除刮刀和压实轮附近的溢料，以及其他机架、靴座等其它零部件上的溢料，开机前需要再次检查确认。

（4）氧化夹杂的解决，首先需要把各工装模具之间的间隙调整合理，对于无法调整的台阶可以进行修整和研磨，使其平滑过度，避免残料氧化造成夹杂。其次，从工模具设计入手，通过减少过宽的密封面，是溢料溢出的阻力减少，避免产生氧化物支撑夹杂。每次停机后和开机前都要清除压实轮。刮刀等附近的氧化物残留。腔体加热使用前，要去除表面附着的氧化，使其表面光亮平滑。

（5）杆料屑夹杂在日常生产中较可以采取措施避免。对于杆料上的金属毛刺和碎屑，可以在更换新零部件时适当修整锐角，而上引收卷产生的掉屑，要调整收卷机的收卷半径，并匹配上引速度。对于较严重的毛刺和碎屑附着，可以在杆料进入线路挤压机之前设置杆料预处理和清洗装置，去除毛刺，清洗金属屑，吹干后进行连续挤压生产。