Cu-Ni-Si合金起皮原因分析

吴文博，李海龙，李树荣

（1.西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏 石嘴山 753000；2.宁夏中色新材料有限公司铍铜分厂，宁夏 石嘴山 753000）

随着现代电子工业技术的发展，材料的综合性能的重要性日益凸显，高强高导铜合金广泛地受到国际社会的重视[1]。因其良好的力学与电学性能，在许多电子工业领域有着不可替代的作用，被广泛地应用于引线框架、电机用转子、继电器用簧片、等，逐渐成为一种不可替代的材料之一[2]。Cu-Ni-Si合金是一种比较典型的时效强化型合金，在保持较高强度的同时兼具高导电的特性，被国际铜及铜合金加工行业重点关注。目前Cu-Ni-Si系合金已经在引线框架材料上获得了广泛的应用[3，4]。

本文通过分析起皮区域及附近正常区域的形貌及化学元素，找出起皮的根本原因，对生产及提高产品质量和成品率打下基础。

1 检验方法

选用在生产过程中物料表面通过肉眼可以看到起皮的物料，并按照相应的检测要求取样、制样，先后在OLYMPUS金相显微镜和ZEISS-Supra 55上进行形貌和成分的分析。

2 分析与讨论

2.1 起皮物料的宏观描述

对有起皮的Cu-Ni-Si合金带材表面进行观察，起皮的走向与制方向一致，呈点状、线状等不连续分布，有时甚至会呈连续分布，如图1（a）所示，部分起皮缺陷在冷加工时表面封闭的鼓泡被破坏，基体裸露在外，呈现出Cu-Ni-Si合金带材的本色，如图1(b)所示。

2.2 扫描电镜及能谱分析

选取有起皮的物料，按照SEM和EDS检测的要求制样，在ZEISS-Supra 55扫描电子显微镜上进行分析，选取不同区域、但又有具有代表性的部分，进行表面形貌和化学元素的分析。

2.2.1 正常区域结果

选取物料表面色泽、外观等一切正常的部分，制样后进行SEM和EDS的检测。从图2可以看出：冷轧后，作为多晶材料的Cu-Ni-Si合金晶粒内出现大量的滑移带，但铜不容易产生交滑移，因此晶粒被压扁、拉长，形成纤维组织和带状组织。产生的是平行滑移带[5]。

分析其化学元素，主要以Cu存在（95.1 wt%），另外还有少部分的Ni（2.9 wt%）、Si（0.7 wt%）和O（1.3 wt%），Ni/Si比为4.14%，与化学成分中的Ni/Si比基本一致。

2.2.2 正常区域黑色异常结果

利用SEM对正常区域内的黑色异常点进行检测，结果如图3所示。

从图3可以看出：正常的物料，与正常区域的相关不大，但有部分异常的黑点存在于物料表面，对这些异常的黑点进行能谱分析，结果显示：分析黑色异常点的成分，主要以Mg（32.4 wt%）、C（3.9 wt%）、Ca（0.9 wt%）和Ti（0.4 wt%）等杂质元素。Cu、Si等主要元素和主要添加元素仅占3.0 wt%和18.4 wt%。

2.2.3 起皮处黑色颗粒结果

利用SEM对起起皮处黑色颗粒进行检测，结果如图4所示。

从图4可以明显看出：起皮后的Cu-Ni-Si合金表面分布着许多大小不一的颗粒，似流水冲刷出来的不规则形状。

对这些黑色颗粒进行能谱分析，分析黑色异常点的成 分， 主 要 以O（38.1 wt%）、Mg（31.5 wt%）、C（3.9 wt%）、Ca（0.7 wt%）和Ti（0.4 wt%）等杂质元素。Cu、Si等主要元素和主要添加元素仅占7.0 wt%和18.4 wt%。

2.2.4 结果分析

与起皮边缘处的异常点进行比对，可以看出，导致异常的原因是这些区域内存在着大量的Mg、Ti、Al、O等元素，且这些异常点之间均有相似之处，即：杂质元素的含量均高于主元素和主要添加元素。

Mg、Ti、Al等非主要添加元素对Cu-Ni-Si合金后的力学性能有着较为明显的影响。但随着Mg、Ti、Al、O等元素的加入，促进了Cu-Ni-Si合金固溶元素的析出、导致析出相在长大过程被明显抑制[4]。

在冷轧变形时各个晶粒都要通过滑移或孪生而变形。但是由于多晶体是一个整体，各个晶粒的变形不能是任意的，而必须相互协调，否则在晶界处就会开裂[5]。而这个开裂最终因Mg、Ti、Al、O等杂质的影响，以起皮等各种宏观缺陷的形式表现出来。

3 结论

（1）大量的Mg、Ti、Al、O等元素进入Cu-Ni-Si合金后，使Cu-Ni-Si合金在冷轧变形时各个晶粒变形过程中相互不协调，导致晶界处就会开裂，最终起皮等各种宏观缺陷的形式表现出来。

（2）Mg、Ti、Al、Ca等元素是炉衬的主要元素。因此可知这些元素是通过炉衬进入到熔体中，进而以有害元素存在于基体中。

（3）Mg、Ti等微量元素少量存在于基体中，可以改善Cu-Ni-Si合金的力学性能，但大量存在反而成了有害元素，导致物料出现起皮等缺陷。

（4）要消除起皮，可通过相应的技术手段减少熔体中的Mg、Ti、Al、Ca等元素。往熔体中添加精炼剂可有效的减少Mg、Ti、Al、Ca等元素，从而提高熔体的清洁度，从而减少起皮的发生。