鈹銅帶材沖壓成型開(kāi)裂原因分析

焦曉亮，張 勇，曹虎成，岳麗娟

（西北稀有金屬材料研究院寧夏分公司、稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000）

鈹銅又稱鈹青銅，是銅合金中的“彈性之王”，經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后，可獲得高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能的產(chǎn)品。高鈹銅具有高強(qiáng)度、高硬度、高導(dǎo)電性、高彈性、耐磨、耐疲勞、抗腐蝕性及彈性滯后小等特點(diǎn)，主要用于溫度控制器、手機(jī)電池、電腦、汽車零配件、微電機(jī)、電刷針、高級(jí)軸承、接觸件、齒輪、沖頭、各類無(wú)火花開(kāi)關(guān)[1,2]。

隨著各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)品輕量化、小型化、高壽命、薄型化趨勢(shì)發(fā)展，電子元器件的形狀倍加復(fù)雜，這也要求鈹銅帶材具備相當(dāng)高的成形性。鈹銅帶材在沖壓成型中的開(kāi)裂問(wèn)題一直困擾著生產(chǎn)商和使用單位。本研究采用化學(xué)成分、掃描電鏡和電子探針?lè)治龅确椒ǎ瑢?duì)沖壓開(kāi)裂的鈹青銅帶材進(jìn)行了分析和討論，為生產(chǎn)出高質(zhì)量的鈹青銅帶材提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.1 取樣

為了更真實(shí)反映沖壓開(kāi)裂帶材的情況，在開(kāi)裂帶材取室溫拉伸試樣、硬度試樣、橫縱向金相試樣，其銑削碎屑用強(qiáng)力磁鐵去除Fe等磁性材料。將碎屑用酒精超聲波清洗10min后取出風(fēng)干，用ICP全譜直讀光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。Ca、Mg、Na、K等雜質(zhì)元素送通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 化學(xué)成分

表1 開(kāi)裂樣品化學(xué)成分

表1為ICP檢測(cè)開(kāi)裂樣品化學(xué)成分分析結(jié)果，由表1可以看出開(kāi)裂樣品的化學(xué)成分滿足GB/T 5231-2012《加工銅化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》中成分要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在開(kāi)裂帶材取金相樣品，觀察面為試樣的橫截面、縱截面。采用0lympus Gx5 1金相顯微鏡觀察樣品的微觀組織。圖1,2為試樣橫截面和縱截面金相檢測(cè)結(jié)果，由圖1,2可以看出樣品橫縱截面晶粒均勻、晶界細(xì)小清晰、晶內(nèi)無(wú)夾雜異物。

圖1 橫截面金相200×

圖2 縱截面金相200×

1.4 雜質(zhì)元素檢測(cè)

表2 開(kāi)裂樣品雜質(zhì)元素含量檢測(cè)

危害元素經(jīng)通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司檢測(cè)結(jié)果如表2所示，帶材Mg含量242mg/Kg，Ca含量則高達(dá)341mg/Kg。作為有害雜質(zhì)元素的Mg、Ca其含量越低越好，一般控制在50mg/Kg以下。Mg、Ca兩種元素在銅中屬于無(wú)限互溶，在鈹銅中限制Be元素的固溶度，隨著有害雜質(zhì)元素含量的升高其影響就越大。

1.5 斷口分析

圖3 沖壓裂紋宏觀形貌10×

圖4 沖壓裂紋宏觀形貌20×

圖5 沖壓裂紋宏觀形貌100×

圖6 沖壓裂紋宏觀形貌2000×

圖3,4和圖5,6為斷口檢驗(yàn)結(jié)果，由圖5,6可以看出帶材在沖壓過(guò)程中沿垂直于軋制方向斷裂于沖壓坑底。由圖5,6可以看出裂紋韌窩處存在如1、2球狀顆粒物。

1.6 球狀顆粒物檢測(cè)

圖7 樣品斷口形貌

圖8 球狀顆粒物EDXB能譜分析

圖9 基材EDXB能譜分析

由圖8,9可以看出球狀物鈣氧化合物，而基材中并無(wú)鈣氧化合物，與3，4,5,6中檢測(cè)結(jié)果一致。含鈣的夾雜物可能是大量的氧化物和少量的硫化物、鋁酸鹽及硅酸鹽。由于這些夾雜物與鈹青銅基體之間的物理性質(zhì)和變形性能存在著較大的差異，所以在沖壓過(guò)程中，鈹青銅基體的均勻、連續(xù)性受到破壞，引起應(yīng)力集中，成為材料的薄弱環(huán)節(jié)，致使材料局部強(qiáng)度和韌性下降。因此當(dāng)受外力作用沖壓成形時(shí)，這些應(yīng)力集中區(qū)會(huì)首先開(kāi)裂形成裂紋源。

2 結(jié)論

鈹銅帶材沖壓開(kāi)裂的主要原因?yàn)樵牧现蠧a、Mg等雜質(zhì)元素夾雜。Ca與O等元素形成球狀顆粒物，而鈹青銅基體的均勻、連續(xù)性受到破壞，引起應(yīng)力集中，成為材料的薄弱環(huán)節(jié)，致使材料局部強(qiáng)度和韌性下降。

當(dāng)受外力作用沖壓成形時(shí)，這些應(yīng)力集中區(qū)會(huì)首先開(kāi)裂形成裂紋源。

作為有害雜質(zhì)元素的Mg、Ca其含量越低越好，一般控制在50mg/Kg以下。隨著有害雜質(zhì)元素含量的升高其影響就越大。所以為避免開(kāi)裂必須：控制鑄錠的冶金質(zhì)量，精煉過(guò)程中采取扒渣操作和過(guò)濾澆鑄等方法以便減少和消除夾雜物。