晶粒度對(duì)Cu-Ni-Si合金沖壓成型性的影響

崔書(shū)輝，鄭學(xué)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(yuǎn)歷史而又蓬勃發(fā)展的重要金屬材料，在人類(lèi)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(dǎo)電導(dǎo)熱功能[2]。純銅的熔點(diǎn)為1083.4℃，沸點(diǎn)為2567℃[3]。銅及銅合金由于具有一系列的優(yōu)良性能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)獲得了廣泛的應(yīng)用。一般分為：紫銅、青銅、白銅和黃銅四類(lèi)銅及銅合金[4]。含鎳的硅青銅有良好的力學(xué)性能、抗蝕性和導(dǎo)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(dá)9%，而室溫時(shí)的固溶度幾乎為零。因此，當(dāng)合金中的Ni、Si含量比為4∶1時(shí)，可全部形成Ni2Si,有較強(qiáng)的時(shí)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(shí)效強(qiáng)化型合金，從1927年M.G.Corson[6]首次發(fā)現(xiàn)Cu-Ni-Si合金具有時(shí)效強(qiáng)化特性以來(lái)，世界各國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出20余種Cu-Ni-Si合金。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金具有良好的綜合性能，在許多電子工業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用，廣泛地應(yīng)用于繼電器簧片、電機(jī)轉(zhuǎn)子、集成電路引線框架等[7]。山本佳紀(jì)[8]等研究了鎳硅質(zhì)量比比在4的前提下，Ni含量小于2.4wt%時(shí)，隨著Ni含量的增加，合金顯微硬度明顯提升，但導(dǎo)電率明顯下降。鎳硅質(zhì)量比對(duì)Cu-Ni-Si合金性能有較為顯著的影響。當(dāng)鎳硅質(zhì)量比＜4.0時(shí)，硬度和導(dǎo)電率處于較低的水平；當(dāng)鎳硅質(zhì)量比在4.0-4.5之間時(shí)，硬度和導(dǎo)電率處于較高的水平；當(dāng)鎳硅質(zhì)量比進(jìn)一步提高，導(dǎo)電率基本保持平穩(wěn)，而硬度呈下降趨勢(shì)。曹育文[9]等也對(duì)鎳硅質(zhì)量比對(duì)Cu-Ni-Si合金性能的影響此問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究顯示：高強(qiáng)度Cu-Ni-Si合金的Ni、Si元素質(zhì)量比應(yīng)控制在4.0-4.5范圍內(nèi)，才能獲得良好的強(qiáng)度和電導(dǎo)率的配合。

Cu-Ni-Si合金是沉淀強(qiáng)化型合金。通常采用固溶、冷軋變形、時(shí)效的組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)材料較好的性能。實(shí)際應(yīng)用中，一般經(jīng)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(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)至關(guān)重要。

1 實(shí)驗(yàn)材料和試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用厚度為0.6mm厚度的Cu-Ni-Si合金帶材，其主要成分見(jiàn)下表1，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 Cu-Ni-Si合金主要成分

表2 0.6mm Cu-Ni-Si合金力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 固溶試驗(yàn)

以0.6mm的軋制態(tài)Cu-Ni-Si合金帶材為基材，在連續(xù)式退火爐上進(jìn)行850℃10m/min、800℃10m/min、750℃10m/min的固溶試驗(yàn)，并依次編號(hào)為B、C、D三組試樣。固溶后檢測(cè)合金帶材的力學(xué)性能和金相組織、晶粒度等。

1.2.2 軋制試驗(yàn)

對(duì)固溶后0.6mm的合金帶材，在四輥精軋機(jī)上分別給與50%的加工率進(jìn)行冷軋?jiān)囼?yàn)，試驗(yàn)后檢測(cè)合金帶材的力學(xué)性能和金相組織、晶粒度等。加工率的計(jì)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(jīng)50%的加工率冷軋，軋后的厚度為0.3mm。

1.2.3 時(shí)效試驗(yàn)

對(duì)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(jìn)行（450℃、460℃、470℃、480℃、500℃、520℃、540）×3h的時(shí)效試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用的箱式爐型號(hào)為：RX-25-7，額定功率為25KW。

時(shí)效時(shí)，為了防止合金帶材在爐內(nèi)氧化，用0.1mm軟態(tài)紫銅帶材對(duì)試樣進(jìn)行包覆。

時(shí)效后，檢測(cè)合金帶材的力學(xué)性能和金相組織、晶粒度等。

1.2.4 成型性檢測(cè)試驗(yàn)

對(duì)時(shí)效后的0.3mm帶材進(jìn)行成型性檢測(cè)。包括90°折彎和180°折彎，比較晶粒度對(duì)Cu-Ni-Si合金成型性的影響。

成型性檢測(cè)試驗(yàn)示意圖1所示，彎曲試驗(yàn)示意圖如圖2所示：

圖1 帶材90°和180°彎曲試驗(yàn)示意圖

圖2 彎曲試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶試驗(yàn)結(jié)果及分析

固溶處理[10]時(shí)在合金低熔點(diǎn)溫度以下多合金進(jìn)行保溫，其效果主要是在不過(guò)燒的前提下，獲得最大的過(guò)飽和固溶體有利于后序的時(shí)效處理。固溶溫度和固溶時(shí)間是影響固溶效果的主要因素，一般來(lái)講，固溶溫度的影響更明顯。固溶溫度低，合金的過(guò)飽和度不足，后序時(shí)效時(shí)，析出動(dòng)力不足，影響合金的強(qiáng)度。固溶溫度過(guò)高，保證了合金的過(guò)飽和度和時(shí)效析出動(dòng)力，但容易溶解低熔點(diǎn)的化合物并使晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，從而降低合金的強(qiáng)度和塑性等性能。

對(duì)固溶試樣，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)、晶粒度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 合金固溶后性能

2.2 軋制試驗(yàn)結(jié)果及分析

形變強(qiáng)化使合金位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，合金晶粒沿軋制方向逐漸拉長(zhǎng)，合金的硬度和強(qiáng)度迅速提高，塑性下降。同時(shí)能破碎合金材料的晶粒，從而降低晶粒直徑。

對(duì)冷軋加工試樣，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)、晶粒度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示：

表4 合金冷軋變形后性能

由數(shù)據(jù)可知，合金帶材經(jīng)50%加工率冷軋后，硬度和強(qiáng)度明顯上升，同時(shí)，晶粒破碎后，晶粒直徑降低。

2.3 時(shí)效試驗(yàn)結(jié)果及分析

Cu-Ni-Si合金經(jīng)時(shí)效后，硬度和強(qiáng)度急劇升高。同時(shí)，合金晶粒度也明顯下降。

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

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

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

對(duì)時(shí)效后試樣，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)、晶粒度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示：

圖3 合金時(shí)效后性能及晶粒度

2.4 成型性檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果及分析

取時(shí)效后硬度值相同、晶粒度不同的三種合金試樣，分別進(jìn)行成型性檢測(cè)。一般來(lái)講，材料的成型性和硬度強(qiáng)度呈反比關(guān)系，即硬度強(qiáng)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(yàn)

取硬度220-230區(qū)間的三種不同晶粒度的合金試樣進(jìn)行90°折彎試驗(yàn)。試樣時(shí)，取R/T=1進(jìn)行成型性檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如下表5所示：

表5 硬度220-230合金試樣90°折彎結(jié)果

其中Bad way成型性檢測(cè)照片，經(jīng)顯微鏡放大后，結(jié)果如圖5所示。

2.4.2 合金試樣180°折彎試驗(yàn)

取硬度200-220區(qū)間的三種不同晶粒度的合金試樣進(jìn)行180°折彎試驗(yàn)。試樣時(shí)，取R/T=1進(jìn)行成型性檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如下表6所示：

表6 硬度200-220合金試樣180°折彎結(jié)果

其中Bad way成型性檢測(cè)照片，經(jīng)顯微鏡放大后，結(jié)果如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

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

（1）硬態(tài)的Cu-Ni-Si合金，經(jīng)700-850℃固溶時(shí)，固溶溫度越高，固溶效果越明顯，同時(shí)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(jīng)50%加工率冷軋后，晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)明顯，同時(shí)硬度和強(qiáng)度明顯上升，且晶粒經(jīng)冷軋破碎后，晶粒直徑降低。

（3）Cu-Ni-Si合金經(jīng)時(shí)效后，硬度和強(qiáng)度急劇升高。而且，時(shí)效后的晶粒直徑與固溶溫度由直接關(guān)系，固溶溫度越高，經(jīng)冷軋時(shí)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。