汽車端子用雙強黃銅帶材生產(chǎn)工藝的研究

劉建新，文志凌，胡 勇，劉 松，孔垂青，師浩浩

(1. 安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241008；2. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車連接器中的車用電線束接插器(簡稱汽車端子)的需求量日益增大。但是該產(chǎn)品的形狀非常復雜，因此在進行沖壓成型時對所需銅帶的塑性要求極高，同時，根據(jù)汽車行業(yè)標準《QC/T417-2011》，端子的強度需滿足公端和母端在嚙合與分離時插拔力的要求，所以汽車端子用銅帶要兼顧高強度與高塑性的需求，簡稱雙強銅帶。具體而言，雙強銅帶在保障抗拉強度達到500 MPa的同時具備15%以上的延伸率。

傳統(tǒng)普遍以QSn6.5-0.1為代表的錫磷青銅帶材作為汽車端子的沖壓材料。但因該銅帶材料成本極高，難以滿足汽車端子行業(yè)對材料成本的管控期望，而以H65為代表的常規(guī)黃銅產(chǎn)品成本較低，但在同時滿足抗拉強度與延伸率指標需求上存在不足[1]。

近年來國內(nèi)外在黃銅合金化及變質(zhì)劑方向[2]上取得了一定的突破,不過存在著廢料回收困難。安徽楚江科技新材料股份有限公司研究與優(yōu)化了黃銅帶材的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了雙強黃銅帶材的批量生產(chǎn)。

1 產(chǎn)品研發(fā)要求

部分銅合金帶材的性能參數(shù)見表1。根據(jù)對汽車端子沖壓行業(yè)的調(diào)研并結(jié)合常規(guī)黃銅產(chǎn)品的基本特性，以批量且穩(wěn)定生產(chǎn)合格的汽車端子用雙強黃銅帶材為研發(fā)目標。

表1 銅合金帶材的性能參數(shù)

1.1 規(guī)格

厚度 0.25～0.5 mm(精度±0.005mm)

寬度 305～410 mm(精度±0.05mm)

卷重 1.2～1.5 t

1.2 力學性能

為滿足汽車端子的需求，參照GB/T 5231-2012中關(guān)于H65牌號的成分進行冶煉和熔鑄等工藝流程管控，使產(chǎn)品同時具備高強度和高塑性，黃銅H65在H04狀態(tài)的性能參數(shù)如表2所示。

表2 黃銅H65在H04狀態(tài)的性能參數(shù)

1.3 表面質(zhì)量

根據(jù)汽車端子行業(yè)的需求，成品帶材的表面色澤與紋理需均勻，而且要避免其表面的氧化與臟污。同時在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)需嚴控刮傷并禁止分層與起皮的出現(xiàn)。

2 工藝方案

汽車端子用雙強黃銅帶材除力學性能外，其余指標均與常規(guī)黃銅帶材產(chǎn)品相當。因此汽車端子用雙強黃銅帶材的研發(fā)核心在于如何優(yōu)化生產(chǎn)工藝使其抗拉強度與延伸率同時滿足要求。

2.1 理論分析

銅及銅合金材料的強化機理主要包含細晶強化、固溶強化、加工硬化及第二相強化(如彌散強化、沉淀強化等)四大類[3]。由于黃銅材料為單相或簡單的雙相合金，且對雜質(zhì)元素的控制極為嚴格，因此當前采用的強化機理主要是細晶強化和加工硬化兩類。加工硬化是通過塑性變形以增加帶材內(nèi)部的位錯數(shù)量進而達到材料強化的目的，但材料塑性會降低；細晶強化是在加工硬化的基礎(chǔ)上通過對晶粒度的控制以減少平均晶粒尺寸，與此同時通過增加晶界的均布雜質(zhì)元素以實現(xiàn)材料強化的目的，而且其塑性可同步增加。因此，本文在傳統(tǒng)的加工硬化基礎(chǔ)上，通過細晶強化的合理應用，實現(xiàn)材料強度與塑性的同步提高。

2.2 理論驗證

各類常規(guī)工藝條件下，安徽楚江科技新材料股份有限公司生產(chǎn)的黃銅H65產(chǎn)品的性能參數(shù)如表3所示。

表3 黃銅H65(H04狀態(tài))常規(guī)工藝條件下的力學性能

從表3的數(shù)據(jù)分析可知：

(1)現(xiàn)有工藝條件所生產(chǎn)的黃銅產(chǎn)品均無法滿足沖壓汽車端子的力學性能需求。

(2)退火條件直接影響產(chǎn)品的力學性能。連續(xù)退火條件所生產(chǎn)的黃銅在同等抗拉強度條件下其延伸率優(yōu)于罩退方式。且低溫罩退條件所生產(chǎn)的黃銅可獲得較高的強度，但其塑性劣于常溫罩退。

由于退火方式不同會產(chǎn)生不同的退火后晶粒度。眾所周知，原始加工率(原始晶粒度)和退火工藝三要素(加熱速度、加熱溫度、保溫時間)影響退火晶粒度[4]。而連續(xù)退火相較罩式爐退火具有加熱速度快和保溫時間短等特點，但是由于連續(xù)退火爐的設(shè)備特性，實際生產(chǎn)中連續(xù)低溫退火的生產(chǎn)方式比較少用[5]。

因此，本文對雙強黃銅帶材的工藝優(yōu)化是在現(xiàn)行生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，控制大加工率，同時實施低溫連續(xù)退火工藝。

3 工藝優(yōu)化

常規(guī)黃銅的工藝流程：立式半連續(xù)鑄錠→熱軋→雙面銑削→冷粗軋→罩式退火→表面清洗→冷精軋→表面清洗→拉彎矯直→定尺剪切→包裝入庫。毛坯退火采用帶保護氣的強對流鐘罩爐，中間退火采用連續(xù)退火爐。

汽車端子用雙強黃銅帶材的生產(chǎn)工藝流程設(shè)定：

熔煉采用工頻有芯感應爐，熔鑄采用立式半連續(xù)鑄造，加熱采用燃氣步進式加熱爐，熱軋采用φ700 mm×700 mm兩輥可逆熱軋機。切頭去尾的鑄錠在加熱完成后經(jīng)熱軋機多道次往復軋制會形成18～21 mm厚的無芯成卷帶坯，熱軋帶坯經(jīng)雙面銑削后被卷取成17～20 mm后的冷軋原料卷。

冷軋原料卷經(jīng)四輥可逆粗軋機常溫開坯、圓盤剪裁邊、退火、酸洗、中精軋機多道次軋制、多道次退火酸洗、拋光鈍化、拉彎矯直、成品精裁、分條、在線檢測和包裝入庫并最終生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

厚度0.3 mm產(chǎn)品的典型工藝參數(shù)如下：

相較于常規(guī)生產(chǎn)工藝，汽車端子用雙強黃銅帶材的主要優(yōu)化工藝包括：

(1) 生產(chǎn)工藝全流程僅毛坯退火保障充分再結(jié)晶，其余退火工序均按照不完全再結(jié)晶的方式配置參數(shù)。

全流程的退火生產(chǎn)工藝中，僅3.0 mm厚毛坯的退火條件與常規(guī)生產(chǎn)工藝一致，即配置高溫退火參數(shù)以保障銅帶退火后可實現(xiàn)充分再結(jié)晶，并以此為后續(xù)大加工率的軋制創(chuàng)造有利條件。相較于常規(guī)退火生產(chǎn)工藝，0.8 mm和0.4 mm厚帶材均按照不完全再結(jié)晶的方式配置參數(shù)以實現(xiàn)低溫退火工藝，并以此提高帶材的延伸率。摒棄傳統(tǒng)罩式爐的長時高溫的退火方式，充分利用連續(xù)爐的供給熱量可控的有利條件，限制連續(xù)退火過程對銅帶的熱量供給，帶材在連續(xù)退火爐中完成低溫退火后自然冷卻至室溫。

低溫連續(xù)退火的參數(shù)：加熱溫度約為560～650℃，加熱時間約為8～12 s，風機轉(zhuǎn)速約為800～1200 r/min?？煞€(wěn)定獲得平均晶粒度≤0.015 mm的控制效果，而常規(guī)退火生產(chǎn)工藝控制水位為平均晶粒度≤0.025 mm。

(2) 各道次采用大加工率以保障晶粒充分破碎。充分考慮材料不完全退火條件下的加工硬化特性并精確調(diào)整加工硬化曲線后再進行道次間加工率的設(shè)定。

相較于常規(guī)黃銅的生產(chǎn)工藝，雙強黃銅帶材是在實施低溫連續(xù)退火工藝的同時，充分利用黃銅材料自身的塑性與軋機設(shè)備的能力。軋制過程中各道次采用大加工率的軋制工藝，不僅可保障不完全退火條件下晶粒的進一步破碎與細化，而且有效增加了晶界數(shù)量。實際生產(chǎn)中各道次的塑性加工率均控制在30%～50%。實現(xiàn)了產(chǎn)品性能的精確管控。

(3) 輔助工藝的有效配合。全流程的軋制工序均精確控制尺寸精度與尺寸波動，并重點保障帶材板形以防高速連續(xù)退火階段出現(xiàn)跑偏和斷帶。

常規(guī)工藝要求帶材厚度公差的允許范圍為±2%。汽車端子用雙強黃銅帶材的生產(chǎn)工藝必須將帶材的厚度公差嚴格控制在±1%之內(nèi)，以充分保障產(chǎn)品性能的均勻性。同時將來料板形嚴格控制在50 I以內(nèi)，以適應低溫連續(xù)退火需要帶材高速運行。而常規(guī)工藝中來料板形的要求為≤200 I，因此優(yōu)化工藝對退火前的帶材板形提出的要求更高。

4 優(yōu)化效果

汽車端子用雙強黃銅帶材的厚度研發(fā)目標≥0.2 mm，經(jīng)過多批次工藝參數(shù)的實踐與修正并通過對不完全再結(jié)晶條件下加工硬化曲線的描繪，最終形成了穩(wěn)定生產(chǎn)汽車端子用雙強黃銅帶材的工藝，產(chǎn)品厚度值0.3 mm，而且順利實現(xiàn)了產(chǎn)品批量交付。黃銅H65(H04狀態(tài))優(yōu)化工藝后的力學性能如表4所示。

表4 黃銅H65(H04狀態(tài))優(yōu)化工藝后的力學性能

5 結(jié)束語

通過對黃銅帶材生產(chǎn)工藝的研究與優(yōu)化，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)黃銅帶材力學性能與成型性能的改善，而且基本達到了在汽車端子領(lǐng)域用雙強黃銅帶材替代錫磷青銅的目標，降低了汽車端子沖壓的成本。