汽車端子用雙強黃銅帶材生產工藝的研究

劉建新，文志凌，胡 勇，劉 松，孔垂青，師浩浩

(1. 安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241008；2. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著汽車工業的迅猛發展，汽車連接器中的車用電線束接插器(簡稱汽車端子)的需求量日益增大。但是該產品的形狀非常復雜，因此在進行沖壓成型時對所需銅帶的塑性要求極高，同時，根據汽車行業標準《QC/T417-2011》，端子的強度需滿足公端和母端在嚙合與分離時插拔力的要求，所以汽車端子用銅帶要兼顧高強度與高塑性的需求，簡稱雙強銅帶。具體而言，雙強銅帶在保障抗拉強度達到500 MPa的同時具備15%以上的延伸率。

傳統普遍以QSn6.5-0.1為代表的錫磷青銅帶材作為汽車端子的沖壓材料。但因該銅帶材料成本極高，難以滿足汽車端子行業對材料成本的管控期望，而以H65為代表的常規黃銅產品成本較低，但在同時滿足抗拉強度與延伸率指標需求上存在不足[1]。

近年來國內外在黃銅合金化及變質劑方向[2]上取得了一定的突破,不過存在著廢料回收困難。安徽楚江科技新材料股份有限公司研究與優化了黃銅帶材的生產工藝，實現了雙強黃銅帶材的批量生產。

1 產品研發要求

部分銅合金帶材的性能參數見表1。根據對汽車端子沖壓行業的調研并結合常規黃銅產品的基本特性，以批量且穩定生產合格的汽車端子用雙強黃銅帶材為研發目標。

表1 銅合金帶材的性能參數

1.1 規格

厚度 0.25～0.5 mm(精度±0.005mm)

寬度 305～410 mm(精度±0.05mm)

卷重 1.2～1.5 t

1.2 力學性能

為滿足汽車端子的需求，參照GB/T 5231-2012中關于H65牌號的成分進行冶煉和熔鑄等工藝流程管控，使產品同時具備高強度和高塑性，黃銅H65在H04狀態的性能參數如表2所示。

表2 黃銅H65在H04狀態的性能參數

1.3 表面質量

根據汽車端子行業的需求，成品帶材的表面色澤與紋理需均勻，而且要避免其表面的氧化與臟污。同時在生產的各個環節需嚴控刮傷并禁止分層與起皮的出現。

2 工藝方案

汽車端子用雙強黃銅帶材除力學性能外，其余指標均與常規黃銅帶材產品相當。因此汽車端子用雙強黃銅帶材的研發核心在于如何優化生產工藝使其抗拉強度與延伸率同時滿足要求。

2.1 理論分析

銅及銅合金材料的強化機理主要包含細晶強化、固溶強化、加工硬化及第二相強化(如彌散強化、沉淀強化等)四大類[3]。由于黃銅材料為單相或簡單的雙相合金，且對雜質元素的控制極為嚴格，因此當前采用的強化機理主要是細晶強化和加工硬化兩類。加工硬化是通過塑性變形以增加帶材內部的位錯數量進而達到材料強化的目的，但材料塑性會降低；細晶強化是在加工硬化的基礎上通過對晶粒度的控制以減少平均晶粒尺寸，與此同時通過增加晶界的均布雜質元素以實現材料強化的目的，而且其塑性可同步增加。因此，本文在傳統的加工硬化基礎上，通過細晶強化的合理應用，實現材料強度與塑性的同步提高。

2.2 理論驗證

各類常規工藝條件下，安徽楚江科技新材料股份有限公司生產的黃銅H65產品的性能參數如表3所示。

表3 黃銅H65(H04狀態)常規工藝條件下的力學性能

從表3的數據分析可知：

(1)現有工藝條件所生產的黃銅產品均無法滿足沖壓汽車端子的力學性能需求。

(2)退火條件直接影響產品的力學性能。連續退火條件所生產的黃銅在同等抗拉強度條件下其延伸率優于罩退方式。且低溫罩退條件所生產的黃銅可獲得較高的強度，但其塑性劣于常溫罩退。

由于退火方式不同會產生不同的退火后晶粒度。眾所周知，原始加工率(原始晶粒度)和退火工藝三要素(加熱速度、加熱溫度、保溫時間)影響退火晶粒度[4]。而連續退火相較罩式爐退火具有加熱速度快和保溫時間短等特點，但是由于連續退火爐的設備特性，實際生產中連續低溫退火的生產方式比較少用[5]。

因此，本文對雙強黃銅帶材的工藝優化是在現行生產工藝的基礎上，控制大加工率，同時實施低溫連續退火工藝。

3 工藝優化

常規黃銅的工藝流程：立式半連續鑄錠→熱軋→雙面銑削→冷粗軋→罩式退火→表面清洗→冷精軋→表面清洗→拉彎矯直→定尺剪切→包裝入庫。毛坯退火采用帶保護氣的強對流鐘罩爐，中間退火采用連續退火爐。

汽車端子用雙強黃銅帶材的生產工藝流程設定：

熔煉采用工頻有芯感應爐，熔鑄采用立式半連續鑄造，加熱采用燃氣步進式加熱爐，熱軋采用φ700 mm×700 mm兩輥可逆熱軋機。切頭去尾的鑄錠在加熱完成后經熱軋機多道次往復軋制會形成18～21 mm厚的無芯成卷帶坯，熱軋帶坯經雙面銑削后被卷取成17～20 mm后的冷軋原料卷。

冷軋原料卷經四輥可逆粗軋機常溫開坯、圓盤剪裁邊、退火、酸洗、中精軋機多道次軋制、多道次退火酸洗、拋光鈍化、拉彎矯直、成品精裁、分條、在線檢測和包裝入庫并最終生產出合格的產品。

厚度0.3 mm產品的典型工藝參數如下：

相較于常規生產工藝，汽車端子用雙強黃銅帶材的主要優化工藝包括：

(1) 生產工藝全流程僅毛坯退火保障充分再結晶，其余退火工序均按照不完全再結晶的方式配置參數。

全流程的退火生產工藝中，僅3.0 mm厚毛坯的退火條件與常規生產工藝一致，即配置高溫退火參數以保障銅帶退火后可實現充分再結晶，并以此為后續大加工率的軋制創造有利條件。相較于常規退火生產工藝，0.8 mm和0.4 mm厚帶材均按照不完全再結晶的方式配置參數以實現低溫退火工藝，并以此提高帶材的延伸率。摒棄傳統罩式爐的長時高溫的退火方式，充分利用連續爐的供給熱量可控的有利條件，限制連續退火過程對銅帶的熱量供給，帶材在連續退火爐中完成低溫退火后自然冷卻至室溫。

低溫連續退火的參數：加熱溫度約為560～650℃，加熱時間約為8～12 s，風機轉速約為800～1200 r/min。可穩定獲得平均晶粒度≤0.015 mm的控制效果，而常規退火生產工藝控制水位為平均晶粒度≤0.025 mm。

(2) 各道次采用大加工率以保障晶粒充分破碎。充分考慮材料不完全退火條件下的加工硬化特性并精確調整加工硬化曲線后再進行道次間加工率的設定。

相較于常規黃銅的生產工藝，雙強黃銅帶材是在實施低溫連續退火工藝的同時，充分利用黃銅材料自身的塑性與軋機設備的能力。軋制過程中各道次采用大加工率的軋制工藝，不僅可保障不完全退火條件下晶粒的進一步破碎與細化，而且有效增加了晶界數量。實際生產中各道次的塑性加工率均控制在30%～50%。實現了產品性能的精確管控。

(3) 輔助工藝的有效配合。全流程的軋制工序均精確控制尺寸精度與尺寸波動，并重點保障帶材板形以防高速連續退火階段出現跑偏和斷帶。

常規工藝要求帶材厚度公差的允許范圍為±2%。汽車端子用雙強黃銅帶材的生產工藝必須將帶材的厚度公差嚴格控制在±1%之內，以充分保障產品性能的均勻性。同時將來料板形嚴格控制在50 I以內，以適應低溫連續退火需要帶材高速運行。而常規工藝中來料板形的要求為≤200 I，因此優化工藝對退火前的帶材板形提出的要求更高。

4 優化效果

汽車端子用雙強黃銅帶材的厚度研發目標≥0.2 mm，經過多批次工藝參數的實踐與修正并通過對不完全再結晶條件下加工硬化曲線的描繪，最終形成了穩定生產汽車端子用雙強黃銅帶材的工藝，產品厚度值0.3 mm，而且順利實現了產品批量交付。黃銅H65(H04狀態)優化工藝后的力學性能如表4所示。

表4 黃銅H65(H04狀態)優化工藝后的力學性能

5 結束語

通過對黃銅帶材生產工藝的研究與優化，實現了對傳統黃銅帶材力學性能與成型性能的改善，而且基本達到了在汽車端子領域用雙強黃銅帶材替代錫磷青銅的目標，降低了汽車端子沖壓的成本。