Cu-Ni-Si合金起皮原因分析

吳文博，李海龍，李樹榮

（1.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000；2.寧夏中色新材料有限公司鈹銅分廠，寧夏 石嘴山 753000）

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，材料的綜合性能的重要性日益凸顯，高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金廣泛地受到國際社會(huì)的重視[1]。因其良好的力學(xué)與電學(xué)性能，在許多電子工業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用，被廣泛地應(yīng)用于引線框架、電機(jī)用轉(zhuǎn)子、繼電器用簧片、等，逐漸成為一種不可替代的材料之一[2]。Cu-Ni-Si合金是一種比較典型的時(shí)效強(qiáng)化型合金，在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)兼具高導(dǎo)電的特性，被國際銅及銅合金加工行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注。目前Cu-Ni-Si系合金已經(jīng)在引線框架材料上獲得了廣泛的應(yīng)用[3，4]。

本文通過分析起皮區(qū)域及附近正常區(qū)域的形貌及化學(xué)元素，找出起皮的根本原因，對(duì)生產(chǎn)及提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率打下基礎(chǔ)。

1 檢驗(yàn)方法

選用在生產(chǎn)過程中物料表面通過肉眼可以看到起皮的物料，并按照相應(yīng)的檢測(cè)要求取樣、制樣，先后在OLYMPUS金相顯微鏡和ZEISS-Supra 55上進(jìn)行形貌和成分的分析。

2 分析與討論

2.1 起皮物料的宏觀描述

對(duì)有起皮的Cu-Ni-Si合金帶材表面進(jìn)行觀察，起皮的走向與制方向一致，呈點(diǎn)狀、線狀等不連續(xù)分布，有時(shí)甚至?xí)蔬B續(xù)分布，如圖1（a）所示，部分起皮缺陷在冷加工時(shí)表面封閉的鼓泡被破壞，基體裸露在外，呈現(xiàn)出Cu-Ni-Si合金帶材的本色，如圖1(b)所示。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

選取有起皮的物料，按照SEM和EDS檢測(cè)的要求制樣，在ZEISS-Supra 55掃描電子顯微鏡上進(jìn)行分析，選取不同區(qū)域、但又有具有代表性的部分，進(jìn)行表面形貌和化學(xué)元素的分析。

2.2.1 正常區(qū)域結(jié)果

選取物料表面色澤、外觀等一切正常的部分，制樣后進(jìn)行SEM和EDS的檢測(cè)。從圖2可以看出：冷軋后，作為多晶材料的Cu-Ni-Si合金晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量的滑移帶，但銅不容易產(chǎn)生交滑移，因此晶粒被壓扁、拉長(zhǎng)，形成纖維組織和帶狀組織。產(chǎn)生的是平行滑移帶[5]。

分析其化學(xué)元素，主要以Cu存在（95.1 wt%），另外還有少部分的Ni（2.9 wt%）、Si（0.7 wt%）和O（1.3 wt%），Ni/Si比為4.14%，與化學(xué)成分中的Ni/Si比基本一致。

2.2.2 正常區(qū)域黑色異常結(jié)果

利用SEM對(duì)正常區(qū)域內(nèi)的黑色異常點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：正常的物料，與正常區(qū)域的相關(guān)不大，但有部分異常的黑點(diǎn)存在于物料表面，對(duì)這些異常的黑點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示：分析黑色異常點(diǎn)的成分，主要以Mg（32.4 wt%）、C（3.9 wt%）、Ca（0.9 wt%）和Ti（0.4 wt%）等雜質(zhì)元素。Cu、Si等主要元素和主要添加元素僅占3.0 wt%和18.4 wt%。

2.2.3 起皮處黑色顆粒結(jié)果

利用SEM對(duì)起起皮處黑色顆粒進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以明顯看出：起皮后的Cu-Ni-Si合金表面分布著許多大小不一的顆粒，似流水沖刷出來的不規(guī)則形狀。

對(duì)這些黑色顆粒進(jìn)行能譜分析，分析黑色異常點(diǎn)的成 分， 主 要 以O(shè)（38.1 wt%）、Mg（31.5 wt%）、C（3.9 wt%）、Ca（0.7 wt%）和Ti（0.4 wt%）等雜質(zhì)元素。Cu、Si等主要元素和主要添加元素僅占7.0 wt%和18.4 wt%。

2.2.4 結(jié)果分析

與起皮邊緣處的異常點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，可以看出，導(dǎo)致異常的原因是這些區(qū)域內(nèi)存在著大量的Mg、Ti、Al、O等元素，且這些異常點(diǎn)之間均有相似之處，即：雜質(zhì)元素的含量均高于主元素和主要添加元素。

Mg、Ti、Al等非主要添加元素對(duì)Cu-Ni-Si合金后的力學(xué)性能有著較為明顯的影響。但隨著Mg、Ti、Al、O等元素的加入，促進(jìn)了Cu-Ni-Si合金固溶元素的析出、導(dǎo)致析出相在長(zhǎng)大過程被明顯抑制[4]。

在冷軋變形時(shí)各個(gè)晶粒都要通過滑移或?qū)\生而變形。但是由于多晶體是一個(gè)整體，各個(gè)晶粒的變形不能是任意的，而必須相互協(xié)調(diào)，否則在晶界處就會(huì)開裂[5]。而這個(gè)開裂最終因Mg、Ti、Al、O等雜質(zhì)的影響，以起皮等各種宏觀缺陷的形式表現(xiàn)出來。

3 結(jié)論

（1）大量的Mg、Ti、Al、O等元素進(jìn)入Cu-Ni-Si合金后，使Cu-Ni-Si合金在冷軋變形時(shí)各個(gè)晶粒變形過程中相互不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致晶界處就會(huì)開裂，最終起皮等各種宏觀缺陷的形式表現(xiàn)出來。

（2）Mg、Ti、Al、Ca等元素是爐襯的主要元素。因此可知這些元素是通過爐襯進(jìn)入到熔體中，進(jìn)而以有害元素存在于基體中。

（3）Mg、Ti等微量元素少量存在于基體中，可以改善Cu-Ni-Si合金的力學(xué)性能，但大量存在反而成了有害元素，導(dǎo)致物料出現(xiàn)起皮等缺陷。

（4）要消除起皮，可通過相應(yīng)的技術(shù)手段減少熔體中的Mg、Ti、Al、Ca等元素。往熔體中添加精煉劑可有效的減少M(fèi)g、Ti、Al、Ca等元素，從而提高熔體的清潔度，從而減少起皮的發(fā)生。