H62铜带冲压起皮原因分析及改善

向紫琪，申会员，何 洋

(公牛集团股份有限公司，浙江 宁波 315311)

H62黄铜是典型的α+β两相黄铜，由质软的α相和硬质的β相共同组成[1]。H62黄铜具有良好的强度和塑性，能够很好地进行冷、热压力加工而被广泛用于制作各类弹性接插件元件以及汽车、造船和精密机械制造业等，素有“商业黄铜”之称[2]。H62铜件插套由于其成本优势而在家用转换器插座插套零件中具有不可替代的作用。插套是整个插座中至关重要的部件，负责载流的同时还有固定插销的作用。插套的品质直接关系到用户的人身安全与使用体验，家用和类似用途插头插座国标[3]对家用插座的温升和拔出插头所需的力有明确要求。H62铜带作为生产插套的原材料，铜带质量、性能的稳定关系到转换器插座插套生产的品质和效率。由于H62铜带原材料生产工艺的特殊性，H62铜带在生产过程由于氧化物夹杂和气孔等缺陷会造成铜带分层进而导致铜带在冲压加工成型过程中会发生不同程度的各类起皮现象[4,5]，给生产和品质管控带来了很大的困扰。

基于以上情况，进行H62铜带在插套冲压过程中起皮原因的分析和制定铜带原材料生产与检验管控标准是必不可少的。本文根据H62铜带生产过程各个工序的实际情况，进行了铜带冲压起皮的可能影响因素分析，制定了H62铜带生产过程中各个环节的管控标准和H62铜带来料检验的方法，进一步确保铜件插套产品的生产稳定性和效率。

1 试验材料与方法

插套用H62铜合金带材的化学成分(质量分数，%)为，Cu 60.5～63.5，Fe ≤0.15，Pb≤0.08，Zn为余量，杂质总和≤0.50。相应的生产工艺流程为，熔炼炉熔化→保温炉保温→半连续水冷铸造→铸锭锯切→步进炉加热→热轧→铣面→初轧→钟罩炉退火→中轧→钟罩炉退火→精轧→退火→终洗→拉弯矫→分条入库。

某批次半连续铸造生产的H62黄铜带，成品厚度为0.5mm，在冲压转换器铜件插套过程中出现了不同部位的典型冲压起皮分层现象。针对冲压起皮的情况，具体分析与改善方案如下：(1)通过实物观察确定起皮形貌和推断起皮原因；(2)通过带有美国EDAX公司能谱仪的中科科仪KYKY2800B扫描电镜进行起皮处形貌、EDS微区成分分析；(3)通过分析铜带生产工序的各个环节，对关键控制点及其影响进行分析与改善，制定生产管控标准；(4)参考GB/T 232-2010与ASTM E290-14，取与铜带轧制方向垂直的方向进行90°和180°折弯，样品规格为0.5mm(厚)×10mm(宽)×50mm(长)，根据折弯结果与插套实际折弯情况对比制定铜带检验标准；(5)通过收集改善前后的实际冲压起皮比例数据，确认管控工艺优化后的改善效果。

2 试验结果

2.1 起皮形貌分析

图1为H62铜件插套典型冲压起皮发生的位置及特征，可以看出，发生起皮的地方主要有两大类。第一类为折弯角度大的位置(图1(a))，起皮处明显存在白色粉末，该粉末可能为熔炼过程中添加的硼砂覆盖剂。H62以半连铸的方式进行生产，铸造过程中，熔融的硼砂覆盖在结晶器熔体的上表面，拉锭过程中部分硼砂熔入铸锭的浅层表面，铸锭经过热轧，这些硼砂不规则的分布在热轧坯带中。如果铣面不彻底，会导致部分硼砂残留在铜带内部，这些残留的硼砂最终随机地分布在成品带材中，冲压折弯时由于与基体结合力小导致折弯起皮开裂。第二类为平直部位(图1(b))，起皮处有气孔等缺陷存在。熔炼过程中，由于除气不彻底，导致部分气体残留在熔体中，拉铸时留在铸锭内部，最终随着轧制变形随机分布在成品铜带中[6]。受冲裁下料剪切力或者折弯力的作用，材料缺陷处也有起皮现象。

2.2 扫描电镜及能谱分析

图2和图3分别为铜带插套折弯起皮处正常部位和夹杂部位的SEM形貌及能谱图。

从图2可以看出，基体元素主要是Cu和Zn，还有少量的C、O等元素存在，这是由于冲压起皮位置有轻微氧化造成的。从起皮处夹杂部位图3(a)(b)的选区能谱元素含量分析可以看出，基体元素主要是Cu和Zn，还有少量的C、O、Si等存在。造成铜带基体夹杂的主要原因一方面是因为H62在熔铸过程中，O与Cu结合能形成Cu2O脆性相[7]，另一方面是由于炉衬材料当中的Si元素渗出融入Cu熔体中造成夹杂导致的[8]。进一步分析起皮部位形貌可知，起皮源于铜带基体中的夹杂。这些夹杂在铜带折弯过程中不能与铜基体协同变形导致折弯开裂，变形进一步加大裂纹更明显最后导致材料分层起皮，直到贯穿基体内所有气孔等缺陷后才停止，最终形成卷曲状的起皮。

3 冲压起皮原因分析与改善

3.1生产工序关键控制点及影响

根据冲压铜件插套典型起皮情况形貌、扫描电镜及能谱分析的结果，从H62铜带生产工艺进行可能导致H62起皮的因素分析，对可能影响冲压起皮的生产工序关键控制点进行排查和梳理。影响H62铜带冲压起皮的可能因素有：(1)原材料，包括来源，干燥程度，配比；(2)熔铸，包括温度，覆盖剂，除气、除渣(不可控)，硼砂添加(不可控)；(3)铸锭处理，包括头尾锯切，表面打磨(不可控)；(4)热轧，包括表面氧化皮清除；(5)铣面，包括铣刀更换周期，铣面速度、深度，光坯打磨(不可控)。

可以看出，铜带生产工序有一些不可控因素存在。通过分析H62铜带的每一个生产工序，对造成冲压起皮的关键工序控制点及影响分析如下：

(1)原材料。原料分为全新料和返回废料(本厂返回废料和外购废料)，原材料均要求符合相关国家标准和企业标准。实际生产过程中，全新料和返回废料要以一定配比投入，原则上采用20%的全新料(阴极铜、锌锭)+80%的本厂返回废料(若采用外购废料，其配料比例为30%的全新料+70%的外购废料)。原料中水、油等含量要通过适当的方法控制在可接受范围之内[9]，水、油含量高会造成熔铸过程中熔体中含气量过高无法排出，在铸锭内部形成气孔等缺陷造成轧制分层现象。

(2)熔铸。熔炼时，出炉温度一般通过观察工频有芯感应电炉电流表指针的摆动和喷火次数来确定。指针摆动是因为大量锌蒸汽从熔沟内部蒸发出来，造成电流起伏所致，而喷火是熔炼温度达到一定数值时，熔体内锌蒸汽喷出的现象。实际生产过程中，H62以喷火2次以上作为出炉标志。铸造温度过高，会引起金属强烈的吸气和氧化；铸造温度过低，易出现冷隔、裂纹、夹渣等表面缺陷。铸造速度是指铸锭从结晶器拉出时的速度，铸造速度过快，导致液穴过深和铸锭内外温差较大，则铸锭内部易产生缩孔、裂纹、疏松等缺陷[10]。冷却强度通常以结晶器一次冷却水压力来表示。实际生产过程中，结晶器冷却的强度一般控制在0.05MPa～0.3 MPa。覆盖剂以硼砂为主，覆盖以均匀铺满结晶器中熔体表面为宜，硼砂添加过多，可能会导致夹渣，过少会造成熔体氧化、吸气等。

(3)铸锭处理。头尾锯切长度要合理，锯切过少时，可能锯锭内部会存在气孔、缩孔、夹杂等缺陷。表面打磨要彻底，不可留下肉眼可见的缺陷。必要时铸坯应当进行铣面，铸坯铣面后表面应光滑整洁，不能留有压屑、压坑、铜粉、脏污、铣削台阶或花纹，否则铸坯经冷加工退火后会产生起皮、黑丝、铸造纹路等缺陷[11]，这些缺陷在轧制过程可能压入轧坯内部，导致成品铜带冲压起皮。

(4)热轧。铸锭应隔离空气在保护气氛中加热以防止产生表面氧化皮。热轧轧辊和传送辊道应定期清理，防止掉落的铜屑二次压入轧坯，引起冲压起皮。

(5)铣面。应及时更换铣刀，由于铣刀磨损，没有及时更换铣刀会导致铣面不均匀，部分位置有缺陷。铣面速度和深度应合理，铣面速度快、深度浅，会降低铣面质量，增加铣面后表面缺陷的检测难度，铣面后表面应光亮整洁，没有压屑、压坑等缺陷[12]。光坯打磨不彻底或没有打磨，会增加成品铜带冲压起皮的风险。

3.2 改善措施及检验规范

3.2.1 严控生产关键工序

经过对H62铜带生产工序环节及其影响因素的分析后，对铜带生产关键控制点进行参数的具体化和规范化，优化了H62铜带生产的管控标准。改善前后生产关键点管控对比见表1。H62铜带生产管控标准升级优化后严格落实执行，形成了企业级的受控标准文件。

表1 H62铜带生产关键控制点改善前后对比

3.2.2 制定铜带检验规范

H62铜带原材料生产工序关键控制点中有部分不可控的因素存在，对生产工序过程进行质量管控还远远不够。因此，冲压插套铜件铜带原材料的来料检验显得至关重要。根据铜带缺陷和检测的实际可执行情况，进行了H62铜带90°和180°不同R/T的折弯试验并制定了折弯评判标准。

折弯试验方法参考相关的国标与美标[13,14]，根据带材的实际厚度情况进行。铜带样品不同R/T折弯后在光学显微镜下观察结果如图4和图5所示。可以看出，对于90°折弯试验，当R/T=0时折弯处表面没有出现橘皮现象。对于180°折弯试验，当R/T=2时，折弯处表面已经开始出现很轻微的橘皮现象；R/T=1时，折弯处表面已经出现微裂纹。大货批量生产冲压过程中与铜带轧制方向垂直方向90°和180°折弯后表面的实际情况如图6所示。根据图4、图5和图6中铜带的折弯试验结果，并考虑成品表面的粗糙度，H62铜带来料典型的90°和180°折弯检验合格标准为：(1)90°折弯，R/T=0，无橘皮现象；(2)180°折弯，R/T=3，无橘皮现象。

3.3 关键控制工序优化前后效果对比

H62铜带生产质量管控标准落实后，收集了3家供应商H62铜带关键控制工序改善前后冲压起皮数量与来料数量的统计,见表2。可以看出，生产管控标准优化实施后，按照来料吨数与起皮次数的比例来看，H62铜带平均冲压起皮的比例明显减少，由改善前的平均294t/次降低到改善后的819t/次。

表2 3家供应商H62铜带改善前后冲压起皮数量对比

4 结论

(1)H62铜带在半连铸造过程中，炉衬材料、硼砂等熔入铸锭内部造成夹杂随机分布在成品带材中，这些夹杂物与基体结合力小导致铜带折弯加工过程中产生起皮开裂。

(2)H62铜带冲压起皮的重点影响因素有除气、除渣、铣面速度、光坯打磨等。生产管控标准优化后，H62铜带冲压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铜带来料90°和180°折弯检验合格标准为，90°折弯，R/T=0，无橘皮现象；180°折弯，R/T=3，无橘皮现象。