晶粒度對Cu-Ni-Si合金沖壓成型性的影響

崔書輝，鄭學清，張 程，曹虎成

（寧夏中色新材料有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

銅是一種具有悠遠歷史而又蓬勃發展的重要金屬材料，在人類歷史上具有比其他任何金屬材料更重要的影響[1]。銅具有美麗的紫紅色光澤、較好的延性和卓越的導電導熱功能[2]。純銅的熔點為1083.4℃，沸點為2567℃[3]。銅及銅合金由于具有一系列的優良性能，在國民經濟的各個部門獲得了廣泛的應用。一般分為：紫銅、青銅、白銅和黃銅四類銅及銅合金[4]。含鎳的硅青銅有良好的力學性能、抗蝕性和導電性。鎳和硅可形成化合物Ni2Si,于共晶溫度1025℃在α固溶體中的固溶度可達9%，而室溫時的固溶度幾乎為零。因此，當合金中的Ni、Si含量比為4∶1時，可全部形成Ni2Si,有較強的時效硬化作用，使合金具有良好的綜合性能[5]。

Cu-Ni-Si是一種典型的時效強化型合金，從1927年M.G.Corson[6]首次發現Cu-Ni-Si合金具有時效強化特性以來，世界各國已經開發出20余種Cu-Ni-Si合金。高強高導銅合金具有良好的綜合性能，在許多電子工業領域有著不可替代的作用，廣泛地應用于繼電器簧片、電機轉子、集成電路引線框架等[7]。山本佳紀[8]等研究了鎳硅質量比比在4的前提下，Ni含量小于2.4wt%時，隨著Ni含量的增加，合金顯微硬度明顯提升，但導電率明顯下降。鎳硅質量比對Cu-Ni-Si合金性能有較為顯著的影響。當鎳硅質量比＜4.0時，硬度和導電率處于較低的水平；當鎳硅質量比在4.0-4.5之間時，硬度和導電率處于較高的水平；當鎳硅質量比進一步提高，導電率基本保持平穩，而硬度呈下降趨勢。曹育文[9]等也對鎳硅質量比對Cu-Ni-Si合金性能的影響此問題進行了研究。研究顯示：高強度Cu-Ni-Si合金的Ni、Si元素質量比應控制在4.0-4.5范圍內，才能獲得良好的強度和電導率的配合。

Cu-Ni-Si合金是沉淀強化型合金。通常采用固溶、冷軋變形、時效的組合方式來實現材料較好的性能。實際應用中，一般經沖壓成型制造各種接插件、彈性簧片、電接觸元器件、接插元器件及繼電器器件等。因此研究Cu-Ni-Si合金的成型性對指導生產至關重要。

1 實驗材料和試驗內容

1.1 試驗材料

試驗用厚度為0.6mm厚度的Cu-Ni-Si合金帶材，其主要成分見下表1，其力學性能見表2。

表1 Cu-Ni-Si合金主要成分

表2 0.6mm Cu-Ni-Si合金力學性能

1.2 試驗內容

1.2.1 固溶試驗

以0.6mm的軋制態Cu-Ni-Si合金帶材為基材，在連續式退火爐上進行850℃10m/min、800℃10m/min、750℃10m/min的固溶試驗，并依次編號為B、C、D三組試樣。固溶后檢測合金帶材的力學性能和金相組織、晶粒度等。

1.2.2 軋制試驗

對固溶后0.6mm的合金帶材，在四輥精軋機上分別給與50%的加工率進行冷軋試驗，試驗后檢測合金帶材的力學性能和金相組織、晶粒度等。加工率的計算方式如下所示：

壓下量：Δh=H-h

加工率：ε=（Δh/h）×100%

注：H為軋制前的帶材厚度，h為軋制后的帶材厚度。

因此，0.6mm合金帶材，經50%的加工率冷軋，軋后的厚度為0.3mm。

1.2.3 時效試驗

對軋制到0.3mm合金帶材，取尺寸為20×200mm的矩形樣，在箱式爐分別進行（450℃、460℃、470℃、480℃、500℃、520℃、540）×3h的時效試驗。

試驗采用的箱式爐型號為：RX-25-7，額定功率為25KW。

時效時，為了防止合金帶材在爐內氧化，用0.1mm軟態紫銅帶材對試樣進行包覆。

時效后，檢測合金帶材的力學性能和金相組織、晶粒度等。

1.2.4 成型性檢測試驗

對時效后的0.3mm帶材進行成型性檢測。包括90°折彎和180°折彎，比較晶粒度對Cu-Ni-Si合金成型性的影響。

成型性檢測試驗示意圖1所示，彎曲試驗示意圖如圖2所示：

圖1 帶材90°和180°彎曲試驗示意圖

圖2 彎曲試驗示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 固溶試驗結果及分析

固溶處理[10]時在合金低熔點溫度以下多合金進行保溫，其效果主要是在不過燒的前提下，獲得最大的過飽和固溶體有利于后序的時效處理。固溶溫度和固溶時間是影響固溶效果的主要因素，一般來講，固溶溫度的影響更明顯。固溶溫度低，合金的過飽和度不足，后序時效時，析出動力不足，影響合金的強度。固溶溫度過高，保證了合金的過飽和度和時效析出動力，但容易溶解低熔點的化合物并使晶粒過度長大，從而降低合金的強度和塑性等性能。

對固溶試樣，進行力學性能檢測、晶粒度檢測，檢測結果如表3所示。

表3 合金固溶后性能

2.2 軋制試驗結果及分析

形變強化使合金位錯密度增加，位錯運動受阻，合金晶粒沿軋制方向逐漸拉長，合金的硬度和強度迅速提高，塑性下降。同時能破碎合金材料的晶粒，從而降低晶粒直徑。

對冷軋加工試樣，進行力學性能檢測、晶粒度檢測，檢測結果如表4所示：

表4 合金冷軋變形后性能

由數據可知，合金帶材經50%加工率冷軋后，硬度和強度明顯上升，同時，晶粒破碎后，晶粒直徑降低。

2.3 時效試驗結果及分析

Cu-Ni-Si合金經時效后，硬度和強度急劇升高。同時，合金晶粒度也明顯下降。

經800℃固溶50%加工率冷軋后，經450-540℃時效后，合金的晶粒直徑在0.015mm左右。

經750℃固溶50%加工率冷軋后，經450-540℃時效后，合金的晶粒直徑在0.012mm左右。

經700℃固溶50%加工率冷軋后，經450-540℃時效后，合金的晶粒直徑在0.008mm左右。

對時效后試樣，進行力學性能檢測、晶粒度檢測，檢測結果如圖3所示：

圖3 合金時效后性能及晶粒度

2.4 成型性檢測試驗結果及分析

取時效后硬度值相同、晶粒度不同的三種合金試樣，分別進行成型性檢測。一般來講，材料的成型性和硬度強度呈反比關系，即硬度強度越高，成型性越差。

粒度直徑為d（B）=0.015，d（C）=0.012，d（D）=0.008。金相照片如圖4所示。

圖4 相同硬度下不同晶粒直徑照片舉例

圖5 Cu-Ni-Si合金90°成型性照片

圖6 Cu-Ni-Si合金180°成型性照片

2.4.1 合金試樣90°折彎試驗

取硬度220-230區間的三種不同晶粒度的合金試樣進行90°折彎試驗。試樣時，取R/T=1進行成型性檢測。試驗結果如下表5所示：

表5 硬度220-230合金試樣90°折彎結果

其中Bad way成型性檢測照片，經顯微鏡放大后，結果如圖5所示。

2.4.2 合金試樣180°折彎試驗

取硬度200-220區間的三種不同晶粒度的合金試樣進行180°折彎試驗。試樣時，取R/T=1進行成型性檢測。試驗結果如下表6所示：

表6 硬度200-220合金試樣180°折彎結果

其中Bad way成型性檢測照片，經顯微鏡放大后，結果如圖6所示。

3 結語

本論文以厚度為0.6mm的硬態Cu-Ni-Si合金為原料，分別進行850℃、800℃、750℃的固溶處理，然后經50%加工率冷軋加工到0.3mm，再進行不同溫度下的時效處理。通過檢測不同階段的Cu-Ni-Si合金的力學性能和晶粒度變化情況，研究了晶粒直徑對材料沖壓成型性能的影響。主要得到如下結論：

（1）硬態的Cu-Ni-Si合金，經700-850℃固溶時，固溶溫度越高，固溶效果越明顯，同時合金的硬度越低，但晶粒直徑越大。

（2）固溶后的Cu-Ni-Si合金，經50%加工率冷軋后，晶粒沿軋制方向拉長明顯，同時硬度和強度明顯上升，且晶粒經冷軋破碎后，晶粒直徑降低。

（3）Cu-Ni-Si合金經時效后，硬度和強度急劇升高。而且，時效后的晶粒直徑與固溶溫度由直接關系，固溶溫度越高，經冷軋時效后，晶粒直徑越大；反之，亦然。

（4）Cu-Ni-Si合金成型性方面，存在各向異性，Good way的成型性明顯高于Bad way。相同硬度的前提下，晶粒直徑越小，合金的成型性越好；反之，亦然。