C2680黃銅帶材彎曲性能的研究

易志輝

(銅陵金威銅業有限公司，安徽 銅陵 244000)

1 引言

低成本的接插件用彈性C2680黃銅帶材廣泛被使用，隨著電子行業的發展，對黃銅帶材的要求越來越嚴格，彎曲性能已成為重要的要求特性之一，沖壓彎曲成形時，不僅要求彎曲表面不產生裂紋，而且希望褶皺更小，不能觀察到類似裂紋的褶皺，否則影響到接插件的正向力及壽命。

作為彈性C2680黃銅帶材的主要供貨狀態為硬態 H和特硬態 EH、SH，規格集中在0.1～0.4 mm。硬態黃銅帶材的彎曲性能能夠滿足客戶要求，而特硬態EH和SH的帶材時常出現縱向彎曲良好，橫向彎曲裂紋，影響了帶材的使用。橫向彎曲產生裂紋，反映了帶材縱橫向性能的不均。對此，我們進行了黃銅帶材彎曲性能的研究，重點放在帶材晶粒度的控制，晶粒大小和均勻性會造成性能不均[1－2]，晶粒細化有利于獲得性能均勻一致的帶材。我們先后采用兩種工藝生產黃銅帶材，由于工藝路徑不同，晶粒度的控制不同，帶材的彎曲性能有較大的差別。

2 生產方案

2.1 生產工藝

在生產過程中，我們設計了兩種工藝生產C2680帶材，試驗規格/狀態為:0.4mm/EH 和0.35 mm/SH，化學成分按照國標GB/T 5231控制，性能要求均為HV170～190，具體生產工藝如下。

工藝方案一:采用大加工率生產，留底料的晶粒度控制在20μm，EH和SH狀態的帶材精軋加工率控制為40%和55%，如表1所示。

表1 工藝方案一 單位:mm

工藝方案二:增加一次中間退火，留底料的晶粒度控制在10μm，EH和SH狀態的帶材精軋加工率控制為26%和32%，如表2所示。

表2 藝方案二 單位:mm

2.2 檢測方法

在成品帶材縱向(Good Way，以下簡稱GW)和橫向(Bad Way，以下簡稱 BW)取樣，試樣規格20mm×100mm，在INSTRON5582萬能拉伸試驗機上采用不同半徑的沖模進行90°彎曲試驗。用光學顯微鏡觀察帶材的彎曲表面，根據觀察到的光滑面、褶皺面或裂紋面[3]，并結合R/t值來評判銅合金帶材的彎曲性能，R為彎曲半徑，t為帶材厚度。帶材彎曲性能良好，R/t值較小;帶材彎曲性能較差，R/t值較大。

在HVS－1000顯微硬度計上進行硬度測試，采用INSTRON5582萬能試驗機上進行拉伸性能測試。

3 結果與分析

3.1 力學性能和晶粒度

按上述工藝方案進行冷軋、退火生產，按照國家標準進行試樣加工，檢測常溫力學性能和晶粒度，見表3。

表3 常溫力學性能和晶粒度

3.2 彎曲試驗

取樣進行彎曲試驗，表4為兩種工藝方案的R/t值。可以看出，方案二的R/t值優于方案一。

表4 R/t值

表5為兩種工藝方案生產的帶材90°彎曲后用光學顯微鏡觀察的彎曲表面狀況，R/t值為4。可以看出，方案一的帶材橫向彎曲產生了裂紋，方案二沒有裂紋現象，明顯優于方案一。不論那種工藝方案，帶材的縱向彎曲性能均好于橫向的彎曲性能，基于此點，有些客戶更加關注橫向彎曲的R/t值。

表5 彎曲表面狀況

3.3 彎曲表面產生褶皺和裂紋的機理

從表5中的照片可以看到，彎曲表面有光滑、褶皺和裂紋三種狀況。

帶材彎曲變形時，內側表面發生了壓縮變形，外側表面發生了拉伸變形，類似于拉伸試驗，在外側表面受到沿圓周方向的拉應力。彎曲過程中拉伸力不斷增加，產生彈性變形、塑性變形或開裂。眾所周知，塑性變形時晶粒內會發生滑移而形成臺階，從而形成了褶皺表面[4]。各晶粒方位不同，畸變程度不一，晶粒大小不同，就會形成不同的表面狀況。參與滑移的晶粒越多，晶粒越均勻，臺階就越小，這種細微臺階肉眼察覺不到，形成了光滑的彎曲表面，變形均勻分布在整個彎曲表面上;如果晶粒較大，就會形成較大的褶皺。

相同厚度的帶材彎曲時減小彎曲半徑R，增加了外側表面的變形量，如晶粒細小，變形可以分散在更多的晶粒內進行，不均勻變形減小，相對來說引起的應力集中也較小，開裂的機會也就相應地減少了。此外，晶粒小，晶界多，阻礙了裂紋的傳播[5]，從而使帶材承受較大的彎曲變形，表現出良好的彎曲性能。

細小而均勻的晶粒不但可改善帶材的塑性，同時還可提高帶材的強度，使帶材具有優良的綜合性能。

3.4 工藝分析

晶粒大小對帶材的力學性能帶來很大影響，可以通過合理的工藝來控制晶粒的大小，改善帶材的組織。工藝方案二做了調整，相對于方案一增加了一次退火和軋制工序，目的就是控制生產過程中的帶材晶粒度。

通常粗軋采用大加工率軋制，以提高生產效率。粗軋從12.5mm 軋至1.8mm改為軋到3.8mm，加工率由原來的85%降為70%，兩種方案的帶材加工率大，晶粒破碎嚴重，晶格畸變大，再結晶的起始晶粒較細。在500℃8h同樣的溫度下退火，晶粒易于長大，晶粒大小在40μm，組織沒有明顯差別。方案二增加了一次退火和58%～60%加工率的中間軋制工序，利于改善晶粒的均勻性。

C2680帶材特硬態性能是通過軋制方式控制的，留底料的退火晶粒大小與成品的晶粒大小有著直接的關系，其均勻性有助于改善帶材縱橫向性能。通常情況下，留底料軋制的加工率、退火的溫度和時間對晶粒的大小和均勻性起著關鍵作用。軋制加工率越大，再結晶開始的溫度越低，再結晶的速度越快，再結晶后的晶粒越細。方案一采用了57%和63%的加工率生產0.4mm/EH和0.35mm/SH的留底料，方案二采用了66%的加工率生產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。為使消除加工硬化，獲得再結晶的組織，采用氣墊爐退火，退火溫度為700℃，通過控制退火速度可以獲得所需的晶粒度，實現工藝目標。兩種方案生產的0.35mm/SH的留底料退火后的金相組織如圖1和圖2所示，方案一的晶粒度為20μm和方案二的晶粒度為10μm。

圖1 方案一C2680 0.78mm×200

圖2 方案一C2680 0.51mm ×200

精軋主要控制成品帶材的性能，由于留底料的性能不同，通過試驗，可以繪出帶材的加工硬化曲線，采用相應的加工率軋制來達到性能要求。對于方案一，0.4mm/EH和0.35mm/SH帶材的加工率分別為40%和55%;方案二的0.4mm/EH和0.35mm/SH帶材的加工率分別為25%和32%。從表3可以看出，兩種方案生產帶材的維氏硬度計相差不大，但抗拉強度略有差異，方案二的抗拉強度均比方案一的偏小，而延伸率明顯提升;因方案一的的精軋加工率較大，帶材的縱橫向性能差別偏大，如0.35mm/SH帶材的縱向抗拉強度634 ～655MPa，延伸率為 2.6% ～5.6%，橫向抗拉強度606 ～625MPa，延伸率為 1.0% ～3.0%，也正是延伸率的偏低，造成了帶材彎曲面的褶皺和裂紋。而方案二的縱橫向性能差異較小，同樣是0.35mm/SH帶材，縱向抗拉強度為613～618MPa，延伸率為6.0% ～7.6%，橫向抗拉強度為 603～608MPa，延伸率為4.1% ～6.1%，延伸率較大，提升了帶材的彎曲性能。

從表3和表4還可以看出，帶材的橫向彎曲性能與抗拉強度和延伸率有密切關系，橫向的抗拉強度和延伸率均低于縱向的，橫向彎曲性能不良[6]。如0.35mm/SH帶材，方案一的GW為4，BW為10，方案二的GW為2，BW為4。

對于 C26800.4mm/EH 和0.35mm/SH 帶材，方案一留底料的晶粒度為20μm，方案二的晶粒度為10μm，橫向彎曲試驗發現，這兩種方案有較大差別，這也在表5中體現。試驗表明，晶粒越細，不同取向的晶粒越多，變形可以較均勻地分散到各個晶粒，提高變形的均勻性;晶界總長度越長，位錯移動時阻力越大，提高強度和塑性。因此，對于要求強度和硬度高的C2680彈性黃銅帶材，留底料可以采用較大加工率軋制成細晶粒，退火時不使晶粒增大，則帶材橫向彎曲得到了明顯提高。

4 結語

彈性黃銅的彎曲性能是帶材的重要特性之一，可以采用R/t值評判，軋制工藝及退火工藝對獲得彎曲性能優良的帶材起著至關重要的作用。

(1)彎曲表面有光滑面、褶皺面和裂紋面，是由于晶粒內滑移以及應力集中造成的，一般帶材的縱向彎曲性能優于橫向。

(2)留底料的加工率和退火制度影響著帶材的晶粒度，當留底料的晶粒度在20μm時，彎曲性能不良，晶粒度在10μm時，彎曲性能良好。

(3)適當增加退火次數有利于改善帶材晶粒的均勻性，提高帶材的彎曲性能。

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