C2680黃銅帶材彎曲性能的研究

易志輝

(銅陵金威銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000)

1 引言

低成本的接插件用彈性C2680黃銅帶材廣泛被使用，隨著電子行業(yè)的發(fā)展，對黃銅帶材的要求越來越嚴格，彎曲性能已成為重要的要求特性之一，沖壓彎曲成形時，不僅要求彎曲表面不產(chǎn)生裂紋，而且希望褶皺更小，不能觀察到類似裂紋的褶皺，否則影響到接插件的正向力及壽命。

作為彈性C2680黃銅帶材的主要供貨狀態(tài)為硬態(tài) H和特硬態(tài) EH、SH，規(guī)格集中在0.1～0.4 mm。硬態(tài)黃銅帶材的彎曲性能能夠滿足客戶要求，而特硬態(tài)EH和SH的帶材時常出現(xiàn)縱向彎曲良好，橫向彎曲裂紋，影響了帶材的使用。橫向彎曲產(chǎn)生裂紋，反映了帶材縱橫向性能的不均。對此，我們進行了黃銅帶材彎曲性能的研究，重點放在帶材晶粒度的控制，晶粒大小和均勻性會造成性能不均[1－2]，晶粒細化有利于獲得性能均勻一致的帶材。我們先后采用兩種工藝生產(chǎn)黃銅帶材，由于工藝路徑不同，晶粒度的控制不同，帶材的彎曲性能有較大的差別。

2 生產(chǎn)方案

2.1 生產(chǎn)工藝

在生產(chǎn)過程中，我們設(shè)計了兩種工藝生產(chǎn)C2680帶材，試驗規(guī)格/狀態(tài)為:0.4mm/EH 和0.35 mm/SH，化學(xué)成分按照國標GB/T 5231控制，性能要求均為HV170～190，具體生產(chǎn)工藝如下。

工藝方案一:采用大加工率生產(chǎn)，留底料的晶粒度控制在20μm，EH和SH狀態(tài)的帶材精軋加工率控制為40%和55%，如表1所示。

表1 工藝方案一 單位:mm

工藝方案二:增加一次中間退火，留底料的晶粒度控制在10μm，EH和SH狀態(tài)的帶材精軋加工率控制為26%和32%，如表2所示。

表2 藝方案二 單位:mm

2.2 檢測方法

在成品帶材縱向(Good Way，以下簡稱GW)和橫向(Bad Way，以下簡稱 BW)取樣，試樣規(guī)格20mm×100mm，在INSTRON5582萬能拉伸試驗機上采用不同半徑的沖模進行90°彎曲試驗。用光學(xué)顯微鏡觀察帶材的彎曲表面，根據(jù)觀察到的光滑面、褶皺面或裂紋面[3]，并結(jié)合R/t值來評判銅合金帶材的彎曲性能，R為彎曲半徑，t為帶材厚度。帶材彎曲性能良好，R/t值較小;帶材彎曲性能較差，R/t值較大。

在HVS－1000顯微硬度計上進行硬度測試，采用INSTRON5582萬能試驗機上進行拉伸性能測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能和晶粒度

按上述工藝方案進行冷軋、退火生產(chǎn)，按照國家標準進行試樣加工，檢測常溫力學(xué)性能和晶粒度，見表3。

表3 常溫力學(xué)性能和晶粒度

3.2 彎曲試驗

取樣進行彎曲試驗，表4為兩種工藝方案的R/t值?？梢钥闯觯桨付腞/t值優(yōu)于方案一。

表4 R/t值

表5為兩種工藝方案生產(chǎn)的帶材90°彎曲后用光學(xué)顯微鏡觀察的彎曲表面狀況，R/t值為4?？梢钥闯?，方案一的帶材橫向彎曲產(chǎn)生了裂紋，方案二沒有裂紋現(xiàn)象，明顯優(yōu)于方案一。不論那種工藝方案，帶材的縱向彎曲性能均好于橫向的彎曲性能，基于此點，有些客戶更加關(guān)注橫向彎曲的R/t值。

表5 彎曲表面狀況

3.3 彎曲表面產(chǎn)生褶皺和裂紋的機理

從表5中的照片可以看到，彎曲表面有光滑、褶皺和裂紋三種狀況。

帶材彎曲變形時，內(nèi)側(cè)表面發(fā)生了壓縮變形，外側(cè)表面發(fā)生了拉伸變形，類似于拉伸試驗，在外側(cè)表面受到沿圓周方向的拉應(yīng)力。彎曲過程中拉伸力不斷增加，產(chǎn)生彈性變形、塑性變形或開裂。眾所周知，塑性變形時晶粒內(nèi)會發(fā)生滑移而形成臺階，從而形成了褶皺表面[4]。各晶粒方位不同，畸變程度不一，晶粒大小不同，就會形成不同的表面狀況。參與滑移的晶粒越多，晶粒越均勻，臺階就越小，這種細微臺階肉眼察覺不到，形成了光滑的彎曲表面，變形均勻分布在整個彎曲表面上;如果晶粒較大，就會形成較大的褶皺。

相同厚度的帶材彎曲時減小彎曲半徑R，增加了外側(cè)表面的變形量，如晶粒細小，變形可以分散在更多的晶粒內(nèi)進行，不均勻變形減小，相對來說引起的應(yīng)力集中也較小，開裂的機會也就相應(yīng)地減少了。此外，晶粒小，晶界多，阻礙了裂紋的傳播[5]，從而使帶材承受較大的彎曲變形，表現(xiàn)出良好的彎曲性能。

細小而均勻的晶粒不但可改善帶材的塑性，同時還可提高帶材的強度，使帶材具有優(yōu)良的綜合性能。

3.4 工藝分析

晶粒大小對帶材的力學(xué)性能帶來很大影響，可以通過合理的工藝來控制晶粒的大小，改善帶材的組織。工藝方案二做了調(diào)整，相對于方案一增加了一次退火和軋制工序，目的就是控制生產(chǎn)過程中的帶材晶粒度。

通常粗軋采用大加工率軋制，以提高生產(chǎn)效率。粗軋從12.5mm 軋至1.8mm改為軋到3.8mm，加工率由原來的85%降為70%，兩種方案的帶材加工率大，晶粒破碎嚴重，晶格畸變大，再結(jié)晶的起始晶粒較細。在500℃8h同樣的溫度下退火，晶粒易于長大，晶粒大小在40μm，組織沒有明顯差別。方案二增加了一次退火和58%～60%加工率的中間軋制工序，利于改善晶粒的均勻性。

C2680帶材特硬態(tài)性能是通過軋制方式控制的，留底料的退火晶粒大小與成品的晶粒大小有著直接的關(guān)系，其均勻性有助于改善帶材縱橫向性能。通常情況下，留底料軋制的加工率、退火的溫度和時間對晶粒的大小和均勻性起著關(guān)鍵作用。軋制加工率越大，再結(jié)晶開始的溫度越低，再結(jié)晶的速度越快，再結(jié)晶后的晶粒越細。方案一采用了57%和63%的加工率生產(chǎn)0.4mm/EH和0.35mm/SH的留底料，方案二采用了66%的加工率生產(chǎn)0.4mm/EH和0.35mm/SH的留底料，略大于方案一，有助于晶粒的破碎。為使消除加工硬化，獲得再結(jié)晶的組織，采用氣墊爐退火，退火溫度為700℃，通過控制退火速度可以獲得所需的晶粒度，實現(xiàn)工藝目標。兩種方案生產(chǎn)的0.35mm/SH的留底料退火后的金相組織如圖1和圖2所示，方案一的晶粒度為20μm和方案二的晶粒度為10μm。

圖1 方案一C2680 0.78mm×200

圖2 方案一C2680 0.51mm ×200

精軋主要控制成品帶材的性能，由于留底料的性能不同，通過試驗，可以繪出帶材的加工硬化曲線，采用相應(yīng)的加工率軋制來達到性能要求。對于方案一，0.4mm/EH和0.35mm/SH帶材的加工率分別為40%和55%;方案二的0.4mm/EH和0.35mm/SH帶材的加工率分別為25%和32%。從表3可以看出，兩種方案生產(chǎn)帶材的維氏硬度計相差不大，但抗拉強度略有差異，方案二的抗拉強度均比方案一的偏小，而延伸率明顯提升;因方案一的的精軋加工率較大，帶材的縱橫向性能差別偏大，如0.35mm/SH帶材的縱向抗拉強度634 ～655MPa，延伸率為 2.6% ～5.6%，橫向抗拉強度606 ～625MPa，延伸率為 1.0% ～3.0%，也正是延伸率的偏低，造成了帶材彎曲面的褶皺和裂紋。而方案二的縱橫向性能差異較小，同樣是0.35mm/SH帶材，縱向抗拉強度為613～618MPa，延伸率為6.0% ～7.6%，橫向抗拉強度為 603～608MPa，延伸率為4.1% ～6.1%，延伸率較大，提升了帶材的彎曲性能。

從表3和表4還可以看出，帶材的橫向彎曲性能與抗拉強度和延伸率有密切關(guān)系，橫向的抗拉強度和延伸率均低于縱向的，橫向彎曲性能不良[6]。如0.35mm/SH帶材，方案一的GW為4，BW為10，方案二的GW為2，BW為4。

對于 C26800.4mm/EH 和0.35mm/SH 帶材，方案一留底料的晶粒度為20μm，方案二的晶粒度為10μm，橫向彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，這兩種方案有較大差別，這也在表5中體現(xiàn)。試驗表明，晶粒越細，不同取向的晶粒越多，變形可以較均勻地分散到各個晶粒，提高變形的均勻性;晶界總長度越長，位錯移動時阻力越大，提高強度和塑性。因此，對于要求強度和硬度高的C2680彈性黃銅帶材，留底料可以采用較大加工率軋制成細晶粒，退火時不使晶粒增大，則帶材橫向彎曲得到了明顯提高。

4 結(jié)語

彈性黃銅的彎曲性能是帶材的重要特性之一，可以采用R/t值評判，軋制工藝及退火工藝對獲得彎曲性能優(yōu)良的帶材起著至關(guān)重要的作用。

(1)彎曲表面有光滑面、褶皺面和裂紋面，是由于晶粒內(nèi)滑移以及應(yīng)力集中造成的，一般帶材的縱向彎曲性能優(yōu)于橫向。

(2)留底料的加工率和退火制度影響著帶材的晶粒度，當留底料的晶粒度在20μm時，彎曲性能不良，晶粒度在10μm時，彎曲性能良好。

(3)適當增加退火次數(shù)有利于改善帶材晶粒的均勻性，提高帶材的彎曲性能。

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