H62銅帶沖壓起皮原因分析及改善

向紫琪，申會員，何 洋

(公牛集團股份有限公司，浙江 寧波 315311)

H62黃銅是典型的α+β兩相黃銅，由質(zhì)軟的α相和硬質(zhì)的β相共同組成[1]。H62黃銅具有良好的強度和塑性，能夠很好地進行冷、熱壓力加工而被廣泛用于制作各類彈性接插件元件以及汽車、造船和精密機械制造業(yè)等，素有“商業(yè)黃銅”之稱[2]。H62銅件插套由于其成本優(yōu)勢而在家用轉(zhuǎn)換器插座插套零件中具有不可替代的作用。插套是整個插座中至關(guān)重要的部件，負責載流的同時還有固定插銷的作用。插套的品質(zhì)直接關(guān)系到用戶的人身安全與使用體驗，家用和類似用途插頭插座國標[3]對家用插座的溫升和拔出插頭所需的力有明確要求。H62銅帶作為生產(chǎn)插套的原材料，銅帶質(zhì)量、性能的穩(wěn)定關(guān)系到轉(zhuǎn)換器插座插套生產(chǎn)的品質(zhì)和效率。由于H62銅帶原材料生產(chǎn)工藝的特殊性，H62銅帶在生產(chǎn)過程由于氧化物夾雜和氣孔等缺陷會造成銅帶分層進而導致銅帶在沖壓加工成型過程中會發(fā)生不同程度的各類起皮現(xiàn)象[4,5]，給生產(chǎn)和品質(zhì)管控帶來了很大的困擾。

基于以上情況，進行H62銅帶在插套沖壓過程中起皮原因的分析和制定銅帶原材料生產(chǎn)與檢驗管控標準是必不可少的。本文根據(jù)H62銅帶生產(chǎn)過程各個工序的實際情況，進行了銅帶沖壓起皮的可能影響因素分析，制定了H62銅帶生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的管控標準和H62銅帶來料檢驗的方法，進一步確保銅件插套產(chǎn)品的生產(chǎn)穩(wěn)定性和效率。

1 試驗材料與方法

插套用H62銅合金帶材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Cu 60.5～63.5，F(xiàn)e ≤0.15，Pb≤0.08，Zn為余量，雜質(zhì)總和≤0.50。相應的生產(chǎn)工藝流程為，熔煉爐熔化→保溫爐保溫→半連續(xù)水冷鑄造→鑄錠鋸切→步進爐加熱→熱軋→銑面→初軋→鐘罩爐退火→中軋→鐘罩爐退火→精軋→退火→終洗→拉彎矯→分條入庫。

某批次半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的H62黃銅帶，成品厚度為0.5mm，在沖壓轉(zhuǎn)換器銅件插套過程中出現(xiàn)了不同部位的典型沖壓起皮分層現(xiàn)象。針對沖壓起皮的情況，具體分析與改善方案如下：(1)通過實物觀察確定起皮形貌和推斷起皮原因；(2)通過帶有美國EDAX公司能譜儀的中科科儀KYKY2800B掃描電鏡進行起皮處形貌、EDS微區(qū)成分分析；(3)通過分析銅帶生產(chǎn)工序的各個環(huán)節(jié)，對關(guān)鍵控制點及其影響進行分析與改善，制定生產(chǎn)管控標準；(4)參考GB/T 232-2010與ASTM E290-14，取與銅帶軋制方向垂直的方向進行90°和180°折彎，樣品規(guī)格為0.5mm(厚)×10mm(寬)×50mm(長)，根據(jù)折彎結(jié)果與插套實際折彎情況對比制定銅帶檢驗標準；(5)通過收集改善前后的實際沖壓起皮比例數(shù)據(jù)，確認管控工藝優(yōu)化后的改善效果。

2 試驗結(jié)果

2.1 起皮形貌分析

圖1為H62銅件插套典型沖壓起皮發(fā)生的位置及特征，可以看出，發(fā)生起皮的地方主要有兩大類。第一類為折彎角度大的位置(圖1(a))，起皮處明顯存在白色粉末，該粉末可能為熔煉過程中添加的硼砂覆蓋劑。H62以半連鑄的方式進行生產(chǎn)，鑄造過程中，熔融的硼砂覆蓋在結(jié)晶器熔體的上表面，拉錠過程中部分硼砂熔入鑄錠的淺層表面，鑄錠經(jīng)過熱軋，這些硼砂不規(guī)則的分布在熱軋坯帶中。如果銑面不徹底，會導致部分硼砂殘留在銅帶內(nèi)部，這些殘留的硼砂最終隨機地分布在成品帶材中，沖壓折彎時由于與基體結(jié)合力小導致折彎起皮開裂。第二類為平直部位(圖1(b))，起皮處有氣孔等缺陷存在。熔煉過程中，由于除氣不徹底，導致部分氣體殘留在熔體中，拉鑄時留在鑄錠內(nèi)部，最終隨著軋制變形隨機分布在成品銅帶中[6]。受沖裁下料剪切力或者折彎力的作用，材料缺陷處也有起皮現(xiàn)象。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

圖2和圖3分別為銅帶插套折彎起皮處正常部位和夾雜部位的SEM形貌及能譜圖。

從圖2可以看出，基體元素主要是Cu和Zn，還有少量的C、O等元素存在，這是由于沖壓起皮位置有輕微氧化造成的。從起皮處夾雜部位圖3(a)(b)的選區(qū)能譜元素含量分析可以看出，基體元素主要是Cu和Zn，還有少量的C、O、Si等存在。造成銅帶基體夾雜的主要原因一方面是因為H62在熔鑄過程中，O與Cu結(jié)合能形成Cu2O脆性相[7]，另一方面是由于爐襯材料當中的Si元素滲出融入Cu熔體中造成夾雜導致的[8]。進一步分析起皮部位形貌可知，起皮源于銅帶基體中的夾雜。這些夾雜在銅帶折彎過程中不能與銅基體協(xié)同變形導致折彎開裂，變形進一步加大裂紋更明顯最后導致材料分層起皮，直到貫穿基體內(nèi)所有氣孔等缺陷后才停止，最終形成卷曲狀的起皮。

3 沖壓起皮原因分析與改善

3.1生產(chǎn)工序關(guān)鍵控制點及影響

根據(jù)沖壓銅件插套典型起皮情況形貌、掃描電鏡及能譜分析的結(jié)果，從H62銅帶生產(chǎn)工藝進行可能導致H62起皮的因素分析，對可能影響沖壓起皮的生產(chǎn)工序關(guān)鍵控制點進行排查和梳理。影響H62銅帶沖壓起皮的可能因素有：(1)原材料，包括來源，干燥程度，配比；(2)熔鑄，包括溫度，覆蓋劑，除氣、除渣(不可控)，硼砂添加(不可控)；(3)鑄錠處理，包括頭尾鋸切，表面打磨(不可控)；(4)熱軋，包括表面氧化皮清除；(5)銑面，包括銑刀更換周期，銑面速度、深度，光坯打磨(不可控)。

可以看出，銅帶生產(chǎn)工序有一些不可控因素存在。通過分析H62銅帶的每一個生產(chǎn)工序，對造成沖壓起皮的關(guān)鍵工序控制點及影響分析如下：

(1)原材料。原料分為全新料和返回廢料(本廠返回廢料和外購廢料)，原材料均要求符合相關(guān)國家標準和企業(yè)標準。實際生產(chǎn)過程中，全新料和返回廢料要以一定配比投入，原則上采用20%的全新料(陰極銅、鋅錠)+80%的本廠返回廢料(若采用外購廢料，其配料比例為30%的全新料+70%的外購廢料)。原料中水、油等含量要通過適當?shù)姆椒刂圃诳山邮芊秶畠?nèi)[9]，水、油含量高會造成熔鑄過程中熔體中含氣量過高無法排出，在鑄錠內(nèi)部形成氣孔等缺陷造成軋制分層現(xiàn)象。

(2)熔鑄。熔煉時，出爐溫度一般通過觀察工頻有芯感應電爐電流表指針的擺動和噴火次數(shù)來確定。指針擺動是因為大量鋅蒸汽從熔溝內(nèi)部蒸發(fā)出來，造成電流起伏所致，而噴火是熔煉溫度達到一定數(shù)值時，熔體內(nèi)鋅蒸汽噴出的現(xiàn)象。實際生產(chǎn)過程中，H62以噴火2次以上作為出爐標志。鑄造溫度過高，會引起金屬強烈的吸氣和氧化；鑄造溫度過低，易出現(xiàn)冷隔、裂紋、夾渣等表面缺陷。鑄造速度是指鑄錠從結(jié)晶器拉出時的速度，鑄造速度過快，導致液穴過深和鑄錠內(nèi)外溫差較大，則鑄錠內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、裂紋、疏松等缺陷[10]。冷卻強度通常以結(jié)晶器一次冷卻水壓力來表示。實際生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器冷卻的強度一般控制在0.05MPa～0.3 MPa。覆蓋劑以硼砂為主，覆蓋以均勻鋪滿結(jié)晶器中熔體表面為宜，硼砂添加過多，可能會導致夾渣，過少會造成熔體氧化、吸氣等。

(3)鑄錠處理。頭尾鋸切長度要合理，鋸切過少時，可能鋸錠內(nèi)部會存在氣孔、縮孔、夾雜等缺陷。表面打磨要徹底，不可留下肉眼可見的缺陷。必要時鑄坯應當進行銑面，鑄坯銑面后表面應光滑整潔，不能留有壓屑、壓坑、銅粉、臟污、銑削臺階或花紋，否則鑄坯經(jīng)冷加工退火后會產(chǎn)生起皮、黑絲、鑄造紋路等缺陷[11]，這些缺陷在軋制過程可能壓入軋坯內(nèi)部，導致成品銅帶沖壓起皮。

(4)熱軋。鑄錠應隔離空氣在保護氣氛中加熱以防止產(chǎn)生表面氧化皮。熱軋軋輥和傳送輥道應定期清理，防止掉落的銅屑二次壓入軋坯，引起沖壓起皮。

(5)銑面。應及時更換銑刀，由于銑刀磨損，沒有及時更換銑刀會導致銑面不均勻，部分位置有缺陷。銑面速度和深度應合理，銑面速度快、深度淺，會降低銑面質(zhì)量，增加銑面后表面缺陷的檢測難度，銑面后表面應光亮整潔，沒有壓屑、壓坑等缺陷[12]。光坯打磨不徹底或沒有打磨，會增加成品銅帶沖壓起皮的風險。

3.2 改善措施及檢驗規(guī)范

3.2.1 嚴控生產(chǎn)關(guān)鍵工序

經(jīng)過對H62銅帶生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)及其影響因素的分析后，對銅帶生產(chǎn)關(guān)鍵控制點進行參數(shù)的具體化和規(guī)范化，優(yōu)化了H62銅帶生產(chǎn)的管控標準。改善前后生產(chǎn)關(guān)鍵點管控對比見表1。H62銅帶生產(chǎn)管控標準升級優(yōu)化后嚴格落實執(zhí)行，形成了企業(yè)級的受控標準文件。

表1 H62銅帶生產(chǎn)關(guān)鍵控制點改善前后對比

3.2.2 制定銅帶檢驗規(guī)范

H62銅帶原材料生產(chǎn)工序關(guān)鍵控制點中有部分不可控的因素存在，對生產(chǎn)工序過程進行質(zhì)量管控還遠遠不夠。因此，沖壓插套銅件銅帶原材料的來料檢驗顯得至關(guān)重要。根據(jù)銅帶缺陷和檢測的實際可執(zhí)行情況，進行了H62銅帶90°和180°不同R/T的折彎試驗并制定了折彎評判標準。

折彎試驗方法參考相關(guān)的國標與美標[13,14]，根據(jù)帶材的實際厚度情況進行。銅帶樣品不同R/T折彎后在光學顯微鏡下觀察結(jié)果如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，對于90°折彎試驗，當R/T=0時折彎處表面沒有出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。對于180°折彎試驗，當R/T=2時，折彎處表面已經(jīng)開始出現(xiàn)很輕微的橘皮現(xiàn)象；R/T=1時，折彎處表面已經(jīng)出現(xiàn)微裂紋。大貨批量生產(chǎn)沖壓過程中與銅帶軋制方向垂直方向90°和180°折彎后表面的實際情況如圖6所示。根據(jù)圖4、圖5和圖6中銅帶的折彎試驗結(jié)果，并考慮成品表面的粗糙度，H62銅帶來料典型的90°和180°折彎檢驗合格標準為：(1)90°折彎，R/T=0，無橘皮現(xiàn)象；(2)180°折彎，R/T=3，無橘皮現(xiàn)象。

3.3 關(guān)鍵控制工序優(yōu)化前后效果對比

H62銅帶生產(chǎn)質(zhì)量管控標準落實后，收集了3家供應商H62銅帶關(guān)鍵控制工序改善前后沖壓起皮數(shù)量與來料數(shù)量的統(tǒng)計,見表2?？梢钥闯?，生產(chǎn)管控標準優(yōu)化實施后，按照來料噸數(shù)與起皮次數(shù)的比例來看，H62銅帶平均沖壓起皮的比例明顯減少，由改善前的平均294t/次降低到改善后的819t/次。

表2 3家供應商H62銅帶改善前后沖壓起皮數(shù)量對比

4 結(jié)論

(1)H62銅帶在半連鑄造過程中，爐襯材料、硼砂等熔入鑄錠內(nèi)部造成夾雜隨機分布在成品帶材中，這些夾雜物與基體結(jié)合力小導致銅帶折彎加工過程中產(chǎn)生起皮開裂。

(2)H62銅帶沖壓起皮的重點影響因素有除氣、除渣、銑面速度、光坯打磨等。生產(chǎn)管控標準優(yōu)化后，H62銅帶沖壓起皮的比例由改善前的平均294t/次降低到改善后的819t/次。

(3)H62銅帶來料90°和180°折彎檢驗合格標準為，90°折彎，R/T=0，無橘皮現(xiàn)象；180°折彎，R/T=3，無橘皮現(xiàn)象。