型號用白銅外殼質(zhì)量問題分析

容道清，楊榮國，潘桂平，汪立波，唐永志

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

白銅B19是以鎳(Ni)為主要添加元素的銅(Cu)基合金，呈銀白色，有金屬光澤。具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性，在熱態(tài)及冷態(tài)下壓力加工性良好，在高溫和低溫下仍能保持高的強(qiáng)度和塑性，是我公司電磁繼電器產(chǎn)品外殼零件的常用材料[1]。

隨著型號繼電器可靠性等級要求越來越高，使得原材料對產(chǎn)品的影響作用也越來越大[2]。自2016年起，我公司使用的白銅合金在入廠驗(yàn)收和零件加工環(huán)節(jié)頻繁出現(xiàn)質(zhì)量問題，共約21批次加工出現(xiàn)問題，統(tǒng)計(jì)的零件合格率低于50%。產(chǎn)品零件批次性報(bào)廢不僅提高了物耗成本而且對型號生產(chǎn)任務(wù)造成嚴(yán)重的影響。2016年至今我公司物資采購部門開發(fā)了多個(gè)生產(chǎn)廠家，材料力學(xué)性能都符合國家標(biāo)準(zhǔn)范圍，但不同廠家因生產(chǎn)工藝的不同導(dǎo)致材料組織性能上存在很大差異，部分廠家不能滿足機(jī)械加工成型要求，這種差異性不利于產(chǎn)品性能的控制。

因此，本文全面總結(jié)近年來白銅發(fā)生的質(zhì)量問題，對原因進(jìn)行剖析。通過采集不同廠家材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合批產(chǎn)情況識別出影響白銅加工的關(guān)鍵因素，提出有效的管控措施，杜絕白銅合金質(zhì)量問題的重復(fù)性發(fā)生，提升型號用白銅材料的質(zhì)量可靠性水平。

2 外殼工藝過程簡介

我公司繼電器外殼主要由B19材料制成，材料狀態(tài)為退火態(tài)(M)，零件的生產(chǎn)流程如下：

下料→落料拉深→清洗→退火→二次拉深→清洗→切口→切邊→去毛刺→清洗→去應(yīng)力退火→整形→砂光。其中主要成型和決定零件質(zhì)量的的工序?yàn)槔旃ば?。即落料拉深和二次拉深工序?/p>

圖1 拉伸成型示意圖

殼體拉伸是利用拉伸模在壓力機(jī)的壓力作用下，將平板坯料或空心工序件制成開口空心零件的加工方法，如圖1所示。拉伸成型后要求外殼表面光滑，無明顯拉伸印痕，無裂紋、凹坑、褶皺等缺陷，拉伸后壁厚均勻，滿足圖紙要求，整個(gè)加工過程無異常。

3 現(xiàn)狀分析

對近5年白銅質(zhì)量問題進(jìn)行梳理總結(jié)，見表1。白銅不合格的原因集中表現(xiàn)在外觀質(zhì)量不合格、化學(xué)成分超標(biāo)，外觀上入廠復(fù)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在起皮、坑點(diǎn)、黑斑、輥印、壓入物、波浪紋等缺陷，化學(xué)成分上微量元素含量超標(biāo)。生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)出現(xiàn)了26起質(zhì)量問題，約占總數(shù)的60%。主要表現(xiàn)在材料二次拉伸成型困難，加工的殼體表面出現(xiàn)麻點(diǎn)、凹坑、拉痕等缺陷。

表1 材料失效案例統(tǒng)計(jì)表

4 分析與討論

針對梳理出的質(zhì)量問題進(jìn)行機(jī)理和原因分析，找出影響白銅外殼質(zhì)量的主要因素，以更好的為生產(chǎn)實(shí)際服務(wù)。

4.1 外觀失效的機(jī)理及原因

我公司使用的白銅合金(B19)入廠復(fù)驗(yàn)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T2059《銅及銅合金帶材》或GB/T2040《銅及銅合金板材》。標(biāo)準(zhǔn)中其表面質(zhì)量要求是不允許有分層、裂紋、起皮、氣泡、夾雜和綠銹，但允許有輕微的、局部的、不使板材厚度超出其允許偏差的劃傷、斑點(diǎn)、凹坑、壓入物、輥印、皺紋、氧化色、油跡等缺陷。原材料廠家來料表面有存在標(biāo)準(zhǔn)允許的劃痕、凸點(diǎn)、壓入物等缺陷，實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)外殼變薄拉伸過程中因變形應(yīng)力過大使這些小瑕疵被放大，進(jìn)而在零件表面出現(xiàn)劃痕、凹坑、分層、起皮等缺陷。圖2 (a)和(b)是缺陷外殼砂光前后的照片，殼體拉伸過程外表面的變形率大于內(nèi)部，所以凹坑主要集中在外表面，凹坑面積不大但分布比較分散。凹坑的深度超過0.02mm，砂輪機(jī)也無法消除。

我公司外殼采用變薄拉伸技術(shù)，材料內(nèi)部會產(chǎn)生塑性流動，材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對原材料表面質(zhì)量和內(nèi)部組織要求較高。生產(chǎn)實(shí)踐表明：白銅材料表面微缺陷的存在(如起皮、折疊、氣泡、夾雜物等)，會使材料在使用中生產(chǎn)的外殼零件產(chǎn)生各種嚴(yán)重的瑕疵造成批次性報(bào)廢。而合金表面質(zhì)量入廠復(fù)驗(yàn)合格后在生產(chǎn)過程中批次性出現(xiàn)的凹坑缺陷主要原因是合金內(nèi)部存在夾雜、縮孔、氣泡、疏松等缺陷，在材料變薄拉伸過程中內(nèi)部氣泡、雜質(zhì)會破壞基體連續(xù)性，降低其變形抗力，造成材料深沖性能變差，導(dǎo)致制品外觀不合格[3]。

(a) 砂光前 (b) 砂光后

4.2 拉深失效的機(jī)理及原因

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，白銅生產(chǎn)環(huán)節(jié)多次出現(xiàn)材料退火后零件外觀發(fā)暗、二拉不成型的加工質(zhì)量問題。外殼零件退火和拉伸是關(guān)鍵工序，退火采用外熱式退火爐高純氫保護(hù)氣氛，一次拉深后經(jīng)700℃退火保溫2 h后外殼表面不光亮、發(fā)暗，維氏硬度高達(dá)HV98，硬度過高導(dǎo)致二次拉深困難[4]。我們將退火后發(fā)暗的零件調(diào)整工藝多次處理后仍無法還原金屬光澤，零件的維氏硬度沒有降低，拉深仍存在困難。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐摸索，拉深合格的零件退火軟化后維氏硬度在HV90以下最佳。我們將模具進(jìn)行改進(jìn)，做了模具陽模滲氮、鍍硬鉻等加強(qiáng)模具強(qiáng)度的試驗(yàn)，結(jié)果無明顯改進(jìn)。故我們可以排除生產(chǎn)工藝和加工設(shè)備的原因。

為查找出影響材料機(jī)械成型的關(guān)鍵因素，圍繞不合格批次開展相關(guān)試驗(yàn)。對比分析不同生產(chǎn)廠家提供的白銅材料性能指標(biāo)和批產(chǎn)情況，通過復(fù)測和跟產(chǎn)相結(jié)合的方式對不合格材料批次進(jìn)行了摸底和分析，識別零件失效的關(guān)鍵原因。

4.2.1 試驗(yàn)過程

對標(biāo)國外標(biāo)準(zhǔn)ASTM B122/B122M-2016[5]，從不同廠家提供的白銅產(chǎn)品中取樣，平行進(jìn)行化學(xué)成分、晶粒度、抗拉強(qiáng)度、延伸率項(xiàng)目試驗(yàn)。采用LAB LAVM1型號直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用DLY-30型萬能材料試驗(yàn)機(jī)和FM-300顯微硬度計(jì)進(jìn)行力學(xué)性能檢測，Axio Vert.A1型金相顯微鏡觀察合金金相組織。

本次實(shí)驗(yàn)選取了國內(nèi)五個(gè)不同廠家生產(chǎn)的白銅B19進(jìn)行對比分析，5個(gè)廠家的試樣編號依次為：1#、2#、3#、4#、5#，規(guī)格為0.5mm，軟態(tài)。

4.2.2 化學(xué)成分

表2為五個(gè)廠家白銅試樣的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)不同廠家化學(xué)成分差別較大。1#、4#和5#試樣化學(xué)成分滿足GB/T5231，但雜質(zhì)總含量差距較明顯。2#和3#試樣原材料主元素Ni含量低于國標(biāo)18～20%要求，F(xiàn)e、Mn含量超標(biāo)準(zhǔn)0.5%要求，雜質(zhì)元素總和在標(biāo)準(zhǔn)偏上限范圍。

表2 白銅B19化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

4.2.3 顯微組織

圖3為五個(gè)廠家試樣的顯微組織照片，從圖中可以看出，軟態(tài)白銅合金的金相組織是由具有孿晶的α單相再結(jié)晶晶粒組成，晶界清晰、顯微組織質(zhì)量良好。表3顯示的不同廠家的晶粒大小結(jié)果與圖3照片相對應(yīng)，1#試樣晶粒最為細(xì)小，2#試樣晶粒較為粗大。不同廠家的晶粒尺寸相近，平均晶粒尺寸0.015mm左右。

表3 試樣晶粒度及晶粒平均大小

4.2.4 力學(xué)性能與工藝性能

表4為不同廠家提供的白銅帶材力學(xué)性能和工藝性能情況，從表可知，不同廠家試樣的力學(xué)性能實(shí)測數(shù)據(jù)分散性大。1#和5#試樣硬度偏低、延伸率高塑性好，2#和3#試樣維氏硬度高于100，延伸率過低。根據(jù)材料批產(chǎn)情況可知，2#和3#試樣加工的外殼退火后表面發(fā)暗，二次拉深成型困難，產(chǎn)品投入產(chǎn)出比為零。1#、4#和5#試樣生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋二次拉深正常，零件表面的麻點(diǎn)、凹坑分析是內(nèi)部組織缺陷造成。

結(jié)合表2化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，表明合金元素含量直接影響到材料的綜合性能，抗拉強(qiáng)度和硬度會隨著Ni含量降低或Fe和Mn含量的增加而增加[6]。同時(shí)合金硬度過高直接導(dǎo)致外殼加工不合格，說明化學(xué)成分是導(dǎo)致外殼拉伸成型困難的關(guān)鍵原因。主元素Ni含量越高、雜質(zhì)元素總含量越低、晶粒尺寸越小，合金的塑韌性越好，越有利于拉伸成型。

(a) 1# 試樣 (b) 2# 試樣 (c) 3# 試樣 (d) 4# 試樣 (e) 5# 試樣

表4 白銅力學(xué)性能和工藝性能對比

4.2.5 討論

對來自不同廠家B19合金的試樣進(jìn)行了化學(xué)成分、組織及力學(xué)性能的對比，并對影響材料拉伸失效的因素進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：來自不同廠家B19合金的力學(xué)性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，但試樣的化學(xué)成分差別較大。當(dāng)合金中鎳含量較低、微量元素較高、晶粒尺寸較大時(shí)，合金的力學(xué)性能較差，從而直接的影響到了材料的工藝性能；當(dāng)合金中存在縮孔、夾雜、氣泡缺陷時(shí)，機(jī)械成型過程中易形成外觀缺陷。因此，綜合上述分析我們可以得出以下結(jié)論：

(1)國產(chǎn)白銅主元素Ni含量偏低、微量元素Fe或Mn含量超標(biāo)、雜質(zhì)總量較高導(dǎo)致材料綜合性能變差，是造成外殼零件拉伸困難的關(guān)鍵因素；

(2)銅合金存在表面起皮、氣泡和內(nèi)部氣孔、疏松、夾雜等缺陷導(dǎo)致材料組織不夠致密，是造成外殼零件表面凹坑的主要原因。

5 制定管控措施

白銅合金執(zhí)行的國標(biāo)GB/T2059或GB/T2040《銅及銅合金板材》適用性廣，對材料的晶粒度和硬度不作要求?，F(xiàn)行的國標(biāo)無法滿足我公司現(xiàn)有的成型工藝要求，根據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從合金的熔煉、成型、驗(yàn)收等多方面識別出質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)，提出超標(biāo)準(zhǔn)的控制要求，以確保白銅質(zhì)量，提高外殼零件的生產(chǎn)合格率。

(1)原材料廠家加強(qiáng)對鑄錠質(zhì)量和生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，提高合金純度，防止雜質(zhì)含量超標(biāo)[7]；化學(xué)成分符合GB/T5231的相應(yīng)規(guī)定，要求雜質(zhì)元素總含量低于0.5%；

(2)軟態(tài)白銅晶粒度要求：0.015mm～0.035mm；

(3)軟態(tài)的白銅合金維氏硬度：HV70-100；

(4)白銅合金要求表面光滑、清潔，除不允許有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的分層、裂紋、起皮、起刺、氣泡、壓折、夾雜和綠銹外，也不允許有劃傷、斑點(diǎn)、凹坑、壓入物、輥印、氧化色、油跡和水跡、波浪紋等缺陷。

6 生產(chǎn)應(yīng)用

為了驗(yàn)證管控措施的正確性和可靠性，與供貨廠家簽署了技術(shù)協(xié)議建立起統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了型號用白銅的化學(xué)成分、晶粒大小、力學(xué)性能、交貨表面狀態(tài)等要求。將按新協(xié)議采購回來的白銅與不合格批次作性能對比，結(jié)果見表5和表6所列。

表5為新舊批次的入廠復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比情況，供貨協(xié)議實(shí)施后原材料的表面質(zhì)量、化學(xué)成分、硬度技術(shù)指標(biāo)得到了保證，沒有表面質(zhì)量不合格、化學(xué)成分超標(biāo)等批次性退貨的現(xiàn)象發(fā)生。從表6新舊不同批次白銅料的批量生產(chǎn)記錄可知，白銅合金沒有再出現(xiàn)前期的外殼退火后顏色發(fā)暗、二次拉伸困難現(xiàn)象，成品合格率由原來的零提高到90%以上。部分批次材料投入產(chǎn)出比無法達(dá)到100%，批產(chǎn)過程中零件表面產(chǎn)生的拉痕、拉穿缺陷主要受模具影響，零件表面的凹坑缺陷系材料表面或內(nèi)部缺陷(如氣泡、夾雜等)導(dǎo)致，這與銅合金的鑄錠質(zhì)量、熔煉、軋制等一系列加工制造過程相關(guān)聯(lián)。

通過新舊材料的生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了白銅化學(xué)成分不合格是導(dǎo)致材料力學(xué)性能變差，造成外殼零件退火后發(fā)暗、二次拉伸困難的關(guān)鍵因素。同時(shí)進(jìn)一步確認(rèn)了新協(xié)議的可行性，為新協(xié)議的推廣應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

表5 新舊批次白銅入廠復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

表6 新舊批次白銅外殼生產(chǎn)合格率對比

7 結(jié)束語

(1)供貨協(xié)議實(shí)施后，彌補(bǔ)了現(xiàn)行國標(biāo)無法滿足型號質(zhì)量要求的不足；

(2)白銅質(zhì)量問題的發(fā)生數(shù)量顯著減少，批生產(chǎn)過程中沒有再出現(xiàn)外殼批次性報(bào)廢的現(xiàn)象，大大提升了型號用白銅的質(zhì)量保障能力；

(3)統(tǒng)一規(guī)范了各廠家白銅合金的產(chǎn)品質(zhì)量，材料性能的一致性、穩(wěn)定性得到了保障；

(4)將型號用白銅產(chǎn)品的質(zhì)量控制點(diǎn)前移至生產(chǎn)廠家，為避免材料質(zhì)量問題的重復(fù)發(fā)生奠定了基礎(chǔ)，為其他種類原材料的質(zhì)量管控工作樹立了標(biāo)桿。