晶粒度对Cu-Ni-Si合金冲压成型性的影响

崔书辉，郑学清，张 程，曹虎成

（宁夏中色新材料有限公司，宁夏 石嘴山 753000）

铜是一种具有悠远历史而又蓬勃发展的重要金属材料，在人类历史上具有比其他任何金属材料更重要的影响[1]。铜具有美丽的紫红色光泽、较好的延性和卓越的导电导热功能[2]。纯铜的熔点为1083.4℃，沸点为2567℃[3]。铜及铜合金由于具有一系列的优良性能，在国民经济的各个部门获得了广泛的应用。一般分为：紫铜、青铜、白铜和黄铜四类铜及铜合金[4]。含镍的硅青铜有良好的力学性能、抗蚀性和导电性。镍和硅可形成化合物Ni2Si,于共晶温度1025℃在α固溶体中的固溶度可达9%，而室温时的固溶度几乎为零。因此，当合金中的Ni、Si含量比为4∶1时，可全部形成Ni2Si,有较强的时效硬化作用，使合金具有良好的综合性能[5]。

Cu-Ni-Si是一种典型的时效强化型合金，从1927年M.G.Corson[6]首次发现Cu-Ni-Si合金具有时效强化特性以来，世界各国已经开发出20余种Cu-Ni-Si合金。高强高导铜合金具有良好的综合性能，在许多电子工业领域有着不可替代的作用，广泛地应用于继电器簧片、电机转子、集成电路引线框架等[7]。山本佳纪[8]等研究了镍硅质量比比在4的前提下，Ni含量小于2.4wt%时，随着Ni含量的增加，合金显微硬度明显提升，但导电率明显下降。镍硅质量比对Cu-Ni-Si合金性能有较为显著的影响。当镍硅质量比＜4.0时，硬度和导电率处于较低的水平；当镍硅质量比在4.0-4.5之间时，硬度和导电率处于较高的水平；当镍硅质量比进一步提高，导电率基本保持平稳，而硬度呈下降趋势。曹育文[9]等也对镍硅质量比对Cu-Ni-Si合金性能的影响此问题进行了研究。研究显示：高强度Cu-Ni-Si合金的Ni、Si元素质量比应控制在4.0-4.5范围内，才能获得良好的强度和电导率的配合。

Cu-Ni-Si合金是沉淀强化型合金。通常采用固溶、冷轧变形、时效的组合方式来实现材料较好的性能。实际应用中，一般经冲压成型制造各种接插件、弹性簧片、电接触元器件、接插元器件及继电器器件等。因此研究Cu-Ni-Si合金的成型性对指导生产至关重要。

1 实验材料和试验内容

1.1 试验材料

试验用厚度为0.6mm厚度的Cu-Ni-Si合金带材，其主要成分见下表1，其力学性能见表2。

表1 Cu-Ni-Si合金主要成分

表2 0.6mm Cu-Ni-Si合金力学性能

1.2 试验内容

1.2.1 固溶试验

以0.6mm的轧制态Cu-Ni-Si合金带材为基材，在连续式退火炉上进行850℃10m/min、800℃10m/min、750℃10m/min的固溶试验，并依次编号为B、C、D三组试样。固溶后检测合金带材的力学性能和金相组织、晶粒度等。

1.2.2 轧制试验

对固溶后0.6mm的合金带材，在四辊精轧机上分别给与50%的加工率进行冷轧试验，试验后检测合金带材的力学性能和金相组织、晶粒度等。加工率的计算方式如下所示：

压下量：Δh=H-h

加工率：ε=（Δh/h）×100%

注：H为轧制前的带材厚度，h为轧制后的带材厚度。

因此，0.6mm合金带材，经50%的加工率冷轧，轧后的厚度为0.3mm。

1.2.3 时效试验

对轧制到0.3mm合金带材，取尺寸为20×200mm的矩形样，在箱式炉分别进行（450℃、460℃、470℃、480℃、500℃、520℃、540）×3h的时效试验。

试验采用的箱式炉型号为：RX-25-7，额定功率为25KW。

时效时，为了防止合金带材在炉内氧化，用0.1mm软态紫铜带材对试样进行包覆。

时效后，检测合金带材的力学性能和金相组织、晶粒度等。

1.2.4 成型性检测试验

对时效后的0.3mm带材进行成型性检测。包括90°折弯和180°折弯，比较晶粒度对Cu-Ni-Si合金成型性的影响。

成型性检测试验示意图1所示，弯曲试验示意图如图2所示：

图1 带材90°和180°弯曲试验示意图

图2 弯曲试验示意图

2 试验结果与分析

2.1 固溶试验结果及分析

固溶处理[10]时在合金低熔点温度以下多合金进行保温，其效果主要是在不过烧的前提下，获得最大的过饱和固溶体有利于后序的时效处理。固溶温度和固溶时间是影响固溶效果的主要因素，一般来讲，固溶温度的影响更明显。固溶温度低，合金的过饱和度不足，后序时效时，析出动力不足，影响合金的强度。固溶温度过高，保证了合金的过饱和度和时效析出动力，但容易溶解低熔点的化合物并使晶粒过度长大，从而降低合金的强度和塑性等性能。

对固溶试样，进行力学性能检测、晶粒度检测，检测结果如表3所示。

表3 合金固溶后性能

2.2 轧制试验结果及分析

形变强化使合金位错密度增加，位错运动受阻，合金晶粒沿轧制方向逐渐拉长，合金的硬度和强度迅速提高，塑性下降。同时能破碎合金材料的晶粒，从而降低晶粒直径。

对冷轧加工试样，进行力学性能检测、晶粒度检测，检测结果如表4所示：

表4 合金冷轧变形后性能

由数据可知，合金带材经50%加工率冷轧后，硬度和强度明显上升，同时，晶粒破碎后，晶粒直径降低。

2.3 时效试验结果及分析

Cu-Ni-Si合金经时效后，硬度和强度急剧升高。同时，合金晶粒度也明显下降。

经800℃固溶50%加工率冷轧后，经450-540℃时效后，合金的晶粒直径在0.015mm左右。

经750℃固溶50%加工率冷轧后，经450-540℃时效后，合金的晶粒直径在0.012mm左右。

经700℃固溶50%加工率冷轧后，经450-540℃时效后，合金的晶粒直径在0.008mm左右。

对时效后试样，进行力学性能检测、晶粒度检测，检测结果如图3所示：

图3 合金时效后性能及晶粒度

2.4 成型性检测试验结果及分析

取时效后硬度值相同、晶粒度不同的三种合金试样，分别进行成型性检测。一般来讲，材料的成型性和硬度强度呈反比关系，即硬度强度越高，成型性越差。

粒度直径为d（B）=0.015，d（C）=0.012，d（D）=0.008。金相照片如图4所示。

图4 相同硬度下不同晶粒直径照片举例

图5 Cu-Ni-Si合金90°成型性照片

图6 Cu-Ni-Si合金180°成型性照片

2.4.1 合金试样90°折弯试验

取硬度220-230区间的三种不同晶粒度的合金试样进行90°折弯试验。试样时，取R/T=1进行成型性检测。试验结果如下表5所示：

表5 硬度220-230合金试样90°折弯结果

其中Bad way成型性检测照片，经显微镜放大后，结果如图5所示。

2.4.2 合金试样180°折弯试验

取硬度200-220区间的三种不同晶粒度的合金试样进行180°折弯试验。试样时，取R/T=1进行成型性检测。试验结果如下表6所示：

表6 硬度200-220合金试样180°折弯结果

其中Bad way成型性检测照片，经显微镜放大后，结果如图6所示。

3 结语

本论文以厚度为0.6mm的硬态Cu-Ni-Si合金为原料，分别进行850℃、800℃、750℃的固溶处理，然后经50%加工率冷轧加工到0.3mm，再进行不同温度下的时效处理。通过检测不同阶段的Cu-Ni-Si合金的力学性能和晶粒度变化情况，研究了晶粒直径对材料冲压成型性能的影响。主要得到如下结论：

（1）硬态的Cu-Ni-Si合金，经700-850℃固溶时，固溶温度越高，固溶效果越明显，同时合金的硬度越低，但晶粒直径越大。

（2）固溶后的Cu-Ni-Si合金，经50%加工率冷轧后，晶粒沿轧制方向拉长明显，同时硬度和强度明显上升，且晶粒经冷轧破碎后，晶粒直径降低。

（3）Cu-Ni-Si合金经时效后，硬度和强度急剧升高。而且，时效后的晶粒直径与固溶温度由直接关系，固溶温度越高，经冷轧时效后，晶粒直径越大；反之，亦然。

（4）Cu-Ni-Si合金成型性方面，存在各向异性，Good way的成型性明显高于Bad way。相同硬度的前提下，晶粒直径越小，合金的成型性越好；反之，亦然。