Cu-Ni-Si合金起皮原因分析

吳文博，李海龍，李樹榮

（1.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000；2.寧夏中色新材料有限公司鈹銅分廠，寧夏 石嘴山 753000）

隨著現代電子工業技術的發展，材料的綜合性能的重要性日益凸顯，高強高導銅合金廣泛地受到國際社會的重視[1]。因其良好的力學與電學性能，在許多電子工業領域有著不可替代的作用，被廣泛地應用于引線框架、電機用轉子、繼電器用簧片、等，逐漸成為一種不可替代的材料之一[2]。Cu-Ni-Si合金是一種比較典型的時效強化型合金，在保持較高強度的同時兼具高導電的特性，被國際銅及銅合金加工行業重點關注。目前Cu-Ni-Si系合金已經在引線框架材料上獲得了廣泛的應用[3，4]。

本文通過分析起皮區域及附近正常區域的形貌及化學元素，找出起皮的根本原因，對生產及提高產品質量和成品率打下基礎。

1 檢驗方法

選用在生產過程中物料表面通過肉眼可以看到起皮的物料，并按照相應的檢測要求取樣、制樣，先后在OLYMPUS金相顯微鏡和ZEISS-Supra 55上進行形貌和成分的分析。

2 分析與討論

2.1 起皮物料的宏觀描述

對有起皮的Cu-Ni-Si合金帶材表面進行觀察，起皮的走向與制方向一致，呈點狀、線狀等不連續分布，有時甚至會呈連續分布，如圖1（a）所示，部分起皮缺陷在冷加工時表面封閉的鼓泡被破壞，基體裸露在外，呈現出Cu-Ni-Si合金帶材的本色，如圖1(b)所示。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

選取有起皮的物料，按照SEM和EDS檢測的要求制樣，在ZEISS-Supra 55掃描電子顯微鏡上進行分析，選取不同區域、但又有具有代表性的部分，進行表面形貌和化學元素的分析。

2.2.1 正常區域結果

選取物料表面色澤、外觀等一切正常的部分，制樣后進行SEM和EDS的檢測。從圖2可以看出：冷軋后，作為多晶材料的Cu-Ni-Si合金晶粒內出現大量的滑移帶，但銅不容易產生交滑移，因此晶粒被壓扁、拉長，形成纖維組織和帶狀組織。產生的是平行滑移帶[5]。

分析其化學元素，主要以Cu存在（95.1 wt%），另外還有少部分的Ni（2.9 wt%）、Si（0.7 wt%）和O（1.3 wt%），Ni/Si比為4.14%，與化學成分中的Ni/Si比基本一致。

2.2.2 正常區域黑色異常結果

利用SEM對正常區域內的黑色異常點進行檢測，結果如圖3所示。

從圖3可以看出：正常的物料，與正常區域的相關不大，但有部分異常的黑點存在于物料表面，對這些異常的黑點進行能譜分析，結果顯示：分析黑色異常點的成分，主要以Mg（32.4 wt%）、C（3.9 wt%）、Ca（0.9 wt%）和Ti（0.4 wt%）等雜質元素。Cu、Si等主要元素和主要添加元素僅占3.0 wt%和18.4 wt%。

2.2.3 起皮處黑色顆粒結果

利用SEM對起起皮處黑色顆粒進行檢測，結果如圖4所示。

從圖4可以明顯看出：起皮后的Cu-Ni-Si合金表面分布著許多大小不一的顆粒，似流水沖刷出來的不規則形狀。

對這些黑色顆粒進行能譜分析，分析黑色異常點的成 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%）等雜質元素。Cu、Si等主要元素和主要添加元素僅占7.0 wt%和18.4 wt%。

2.2.4 結果分析

與起皮邊緣處的異常點進行比對，可以看出，導致異常的原因是這些區域內存在著大量的Mg、Ti、Al、O等元素，且這些異常點之間均有相似之處，即：雜質元素的含量均高于主元素和主要添加元素。

Mg、Ti、Al等非主要添加元素對Cu-Ni-Si合金后的力學性能有著較為明顯的影響。但隨著Mg、Ti、Al、O等元素的加入，促進了Cu-Ni-Si合金固溶元素的析出、導致析出相在長大過程被明顯抑制[4]。

在冷軋變形時各個晶粒都要通過滑移或孿生而變形。但是由于多晶體是一個整體，各個晶粒的變形不能是任意的，而必須相互協調，否則在晶界處就會開裂[5]。而這個開裂最終因Mg、Ti、Al、O等雜質的影響，以起皮等各種宏觀缺陷的形式表現出來。

3 結論

（1）大量的Mg、Ti、Al、O等元素進入Cu-Ni-Si合金后，使Cu-Ni-Si合金在冷軋變形時各個晶粒變形過程中相互不協調，導致晶界處就會開裂，最終起皮等各種宏觀缺陷的形式表現出來。

（2）Mg、Ti、Al、Ca等元素是爐襯的主要元素。因此可知這些元素是通過爐襯進入到熔體中，進而以有害元素存在于基體中。

（3）Mg、Ti等微量元素少量存在于基體中，可以改善Cu-Ni-Si合金的力學性能，但大量存在反而成了有害元素，導致物料出現起皮等缺陷。

（4）要消除起皮，可通過相應的技術手段減少熔體中的Mg、Ti、Al、Ca等元素。往熔體中添加精煉劑可有效的減少Mg、Ti、Al、Ca等元素，從而提高熔體的清潔度，從而減少起皮的發生。