C2680黄铜带材弯曲性能的研究

易志辉

(铜陵金威铜业有限公司，安徽 铜陵 244000)

1 引言

低成本的接插件用弹性C2680黄铜带材广泛被使用，随着电子行业的发展，对黄铜带材的要求越来越严格，弯曲性能已成为重要的要求特性之一，冲压弯曲成形时，不仅要求弯曲表面不产生裂纹，而且希望褶皱更小，不能观察到类似裂纹的褶皱，否则影响到接插件的正向力及寿命。

作为弹性C2680黄铜带材的主要供货状态为硬态 H和特硬态 EH、SH，规格集中在0.1～0.4 mm。硬态黄铜带材的弯曲性能能够满足客户要求，而特硬态EH和SH的带材时常出现纵向弯曲良好，横向弯曲裂纹，影响了带材的使用。横向弯曲产生裂纹，反映了带材纵横向性能的不均。对此，我们进行了黄铜带材弯曲性能的研究，重点放在带材晶粒度的控制，晶粒大小和均匀性会造成性能不均[1－2]，晶粒细化有利于获得性能均匀一致的带材。我们先后采用两种工艺生产黄铜带材，由于工艺路径不同，晶粒度的控制不同，带材的弯曲性能有较大的差别。

2 生产方案

2.1 生产工艺

在生产过程中，我们设计了两种工艺生产C2680带材，试验规格/状态为:0.4mm/EH 和0.35 mm/SH，化学成分按照国标GB/T 5231控制，性能要求均为HV170～190，具体生产工艺如下。

工艺方案一:采用大加工率生产，留底料的晶粒度控制在20μm，EH和SH状态的带材精轧加工率控制为40%和55%，如表1所示。

表1 工艺方案一 单位:mm

工艺方案二:增加一次中间退火，留底料的晶粒度控制在10μm，EH和SH状态的带材精轧加工率控制为26%和32%，如表2所示。

表2 艺方案二 单位:mm

2.2 检测方法

在成品带材纵向(Good Way，以下简称GW)和横向(Bad Way，以下简称 BW)取样，试样规格20mm×100mm，在INSTRON5582万能拉伸试验机上采用不同半径的冲模进行90°弯曲试验。用光学显微镜观察带材的弯曲表面，根据观察到的光滑面、褶皱面或裂纹面[3]，并结合R/t值来评判铜合金带材的弯曲性能，R为弯曲半径，t为带材厚度。带材弯曲性能良好，R/t值较小;带材弯曲性能较差，R/t值较大。

在HVS－1000显微硬度计上进行硬度测试，采用INSTRON5582万能试验机上进行拉伸性能测试。

3 结果与分析

3.1 力学性能和晶粒度

按上述工艺方案进行冷轧、退火生产，按照国家标准进行试样加工，检测常温力学性能和晶粒度，见表3。

表3 常温力学性能和晶粒度

3.2 弯曲试验

取样进行弯曲试验，表4为两种工艺方案的R/t值。可以看出，方案二的R/t值优于方案一。

表4 R/t值

表5为两种工艺方案生产的带材90°弯曲后用光学显微镜观察的弯曲表面状况，R/t值为4。可以看出，方案一的带材横向弯曲产生了裂纹，方案二没有裂纹现象，明显优于方案一。不论那种工艺方案，带材的纵向弯曲性能均好于横向的弯曲性能，基于此点，有些客户更加关注横向弯曲的R/t值。

表5 弯曲表面状况

3.3 弯曲表面产生褶皱和裂纹的机理

从表5中的照片可以看到，弯曲表面有光滑、褶皱和裂纹三种状况。

带材弯曲变形时，内侧表面发生了压缩变形，外侧表面发生了拉伸变形，类似于拉伸试验，在外侧表面受到沿圆周方向的拉应力。弯曲过程中拉伸力不断增加，产生弹性变形、塑性变形或开裂。众所周知，塑性变形时晶粒内会发生滑移而形成台阶，从而形成了褶皱表面[4]。各晶粒方位不同，畸变程度不一，晶粒大小不同，就会形成不同的表面状况。参与滑移的晶粒越多，晶粒越均匀，台阶就越小，这种细微台阶肉眼察觉不到，形成了光滑的弯曲表面，变形均匀分布在整个弯曲表面上;如果晶粒较大，就会形成较大的褶皱。

相同厚度的带材弯曲时减小弯曲半径R，增加了外侧表面的变形量，如晶粒细小，变形可以分散在更多的晶粒内进行，不均匀变形减小，相对来说引起的应力集中也较小，开裂的机会也就相应地减少了。此外，晶粒小，晶界多，阻碍了裂纹的传播[5]，从而使带材承受较大的弯曲变形，表现出良好的弯曲性能。

细小而均匀的晶粒不但可改善带材的塑性，同时还可提高带材的强度，使带材具有优良的综合性能。

3.4 工艺分析

晶粒大小对带材的力学性能带来很大影响，可以通过合理的工艺来控制晶粒的大小，改善带材的组织。工艺方案二做了调整，相对于方案一增加了一次退火和轧制工序，目的就是控制生产过程中的带材晶粒度。

通常粗轧采用大加工率轧制，以提高生产效率。粗轧从12.5mm 轧至1.8mm改为轧到3.8mm，加工率由原来的85%降为70%，两种方案的带材加工率大，晶粒破碎严重，晶格畸变大，再结晶的起始晶粒较细。在500℃8h同样的温度下退火，晶粒易于长大，晶粒大小在40μm，组织没有明显差别。方案二增加了一次退火和58%～60%加工率的中间轧制工序，利于改善晶粒的均匀性。

C2680带材特硬态性能是通过轧制方式控制的，留底料的退火晶粒大小与成品的晶粒大小有着直接的关系，其均匀性有助于改善带材纵横向性能。通常情况下，留底料轧制的加工率、退火的温度和时间对晶粒的大小和均匀性起着关键作用。轧制加工率越大，再结晶开始的温度越低，再结晶的速度越快，再结晶后的晶粒越细。方案一采用了57%和63%的加工率生产0.4mm/EH和0.35mm/SH的留底料，方案二采用了66%的加工率生产0.4mm/EH和0.35mm/SH的留底料，略大于方案一，有助于晶粒的破碎。为使消除加工硬化，获得再结晶的组织，采用气垫炉退火，退火温度为700℃，通过控制退火速度可以获得所需的晶粒度，实现工艺目标。两种方案生产的0.35mm/SH的留底料退火后的金相组织如图1和图2所示，方案一的晶粒度为20μm和方案二的晶粒度为10μm。

图1 方案一C2680 0.78mm×200

图2 方案一C2680 0.51mm ×200

精轧主要控制成品带材的性能，由于留底料的性能不同，通过试验，可以绘出带材的加工硬化曲线，采用相应的加工率轧制来达到性能要求。对于方案一，0.4mm/EH和0.35mm/SH带材的加工率分别为40%和55%;方案二的0.4mm/EH和0.35mm/SH带材的加工率分别为25%和32%。从表3可以看出，两种方案生产带材的维氏硬度计相差不大，但抗拉强度略有差异，方案二的抗拉强度均比方案一的偏小，而延伸率明显提升;因方案一的的精轧加工率较大，带材的纵横向性能差别偏大，如0.35mm/SH带材的纵向抗拉强度634 ～655MPa，延伸率为 2.6% ～5.6%，横向抗拉强度606 ～625MPa，延伸率为 1.0% ～3.0%，也正是延伸率的偏低，造成了带材弯曲面的褶皱和裂纹。而方案二的纵横向性能差异较小，同样是0.35mm/SH带材，纵向抗拉强度为613～618MPa，延伸率为6.0% ～7.6%，横向抗拉强度为 603～608MPa，延伸率为4.1% ～6.1%，延伸率较大，提升了带材的弯曲性能。

从表3和表4还可以看出，带材的横向弯曲性能与抗拉强度和延伸率有密切关系，横向的抗拉强度和延伸率均低于纵向的，横向弯曲性能不良[6]。如0.35mm/SH带材，方案一的GW为4，BW为10，方案二的GW为2，BW为4。

对于 C26800.4mm/EH 和0.35mm/SH 带材，方案一留底料的晶粒度为20μm，方案二的晶粒度为10μm，横向弯曲试验发现，这两种方案有较大差别，这也在表5中体现。试验表明，晶粒越细，不同取向的晶粒越多，变形可以较均匀地分散到各个晶粒，提高变形的均匀性;晶界总长度越长，位错移动时阻力越大，提高强度和塑性。因此，对于要求强度和硬度高的C2680弹性黄铜带材，留底料可以采用较大加工率轧制成细晶粒，退火时不使晶粒增大，则带材横向弯曲得到了明显提高。

4 结语

弹性黄铜的弯曲性能是带材的重要特性之一，可以采用R/t值评判，轧制工艺及退火工艺对获得弯曲性能优良的带材起着至关重要的作用。

(1)弯曲表面有光滑面、褶皱面和裂纹面，是由于晶粒内滑移以及应力集中造成的，一般带材的纵向弯曲性能优于横向。

(2)留底料的加工率和退火制度影响着带材的晶粒度，当留底料的晶粒度在20μm时，弯曲性能不良，晶粒度在10μm时，弯曲性能良好。

(3)适当增加退火次数有利于改善带材晶粒的均匀性，提高带材的弯曲性能。

[1]钟卫佳.铜加工技术实用手册[M].北京:冶金工业出版社，2007:120－132.

[2]路俊攀.加工铜及铜合金金相图谱[M].长沙:中南大学出版社，2010:88－96.

[3]中川威雄.板料冲压加工[M].天津:天津科学技术出版社，1982:55－87.

[4]毛卫民.金属材料的晶体学织构与各向异性[M].北京:科学出版社，2002:188－191.

[5]余永宁.金属学原理[M].北京:冶金工业出版社，2005:459－460.

[6]王艳.铜合金材料在插接件中的应用分析[J].汽车电气，2013(2):37－38.