鈹銅帶材沖壓成型開裂原因分析

焦曉亮，張 勇，曹虎成，岳麗娟

（西北稀有金屬材料研究院寧夏分公司、稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000）

鈹銅又稱鈹青銅，是銅合金中的“彈性之王”，經固溶時效熱處理后，可獲得高強度、高導電性能的產品。高鈹銅具有高強度、高硬度、高導電性、高彈性、耐磨、耐疲勞、抗腐蝕性及彈性滯后小等特點，主要用于溫度控制器、手機電池、電腦、汽車零配件、微電機、電刷針、高級軸承、接觸件、齒輪、沖頭、各類無火花開關[1,2]。

隨著各個領域產品輕量化、小型化、高壽命、薄型化趨勢發展，電子元器件的形狀倍加復雜，這也要求鈹銅帶材具備相當高的成形性。鈹銅帶材在沖壓成型中的開裂問題一直困擾著生產商和使用單位。本研究采用化學成分、掃描電鏡和電子探針分析等方法，對沖壓開裂的鈹青銅帶材進行了分析和討論，為生產出高質量的鈹青銅帶材提供參考依據。

1 試驗結果與分析

1.1 取樣

為了更真實反映沖壓開裂帶材的情況，在開裂帶材取室溫拉伸試樣、硬度試樣、橫縱向金相試樣，其銑削碎屑用強力磁鐵去除Fe等磁性材料。將碎屑用酒精超聲波清洗10min后取出風干，用ICP全譜直讀光譜儀進行檢測。Ca、Mg、Na、K等雜質元素送通標標準技術服務有限公司進行檢測。

1.2 化學成分

表1 開裂樣品化學成分

表1為ICP檢測開裂樣品化學成分分析結果，由表1可以看出開裂樣品的化學成分滿足GB/T 5231-2012《加工銅化學成分和產品形狀》中成分要求。

1.3 金相檢驗

在開裂帶材取金相樣品，觀察面為試樣的橫截面、縱截面。采用0lympus Gx5 1金相顯微鏡觀察樣品的微觀組織。圖1,2為試樣橫截面和縱截面金相檢測結果，由圖1,2可以看出樣品橫縱截面晶粒均勻、晶界細小清晰、晶內無夾雜異物。

圖1 橫截面金相200×

圖2 縱截面金相200×

1.4 雜質元素檢測

表2 開裂樣品雜質元素含量檢測

危害元素經通標標準技術服務有限公司檢測結果如表2所示，帶材Mg含量242mg/Kg，Ca含量則高達341mg/Kg。作為有害雜質元素的Mg、Ca其含量越低越好，一般控制在50mg/Kg以下。Mg、Ca兩種元素在銅中屬于無限互溶，在鈹銅中限制Be元素的固溶度，隨著有害雜質元素含量的升高其影響就越大。

1.5 斷口分析

圖3 沖壓裂紋宏觀形貌10×

圖4 沖壓裂紋宏觀形貌20×

圖5 沖壓裂紋宏觀形貌100×

圖6 沖壓裂紋宏觀形貌2000×

圖3,4和圖5,6為斷口檢驗結果，由圖5,6可以看出帶材在沖壓過程中沿垂直于軋制方向斷裂于沖壓坑底。由圖5,6可以看出裂紋韌窩處存在如1、2球狀顆粒物。

1.6 球狀顆粒物檢測

圖7 樣品斷口形貌

圖8 球狀顆粒物EDXB能譜分析

圖9 基材EDXB能譜分析

由圖8,9可以看出球狀物鈣氧化合物，而基材中并無鈣氧化合物，與3，4,5,6中檢測結果一致。含鈣的夾雜物可能是大量的氧化物和少量的硫化物、鋁酸鹽及硅酸鹽。由于這些夾雜物與鈹青銅基體之間的物理性質和變形性能存在著較大的差異，所以在沖壓過程中，鈹青銅基體的均勻、連續性受到破壞，引起應力集中，成為材料的薄弱環節，致使材料局部強度和韌性下降。因此當受外力作用沖壓成形時，這些應力集中區會首先開裂形成裂紋源。

2 結論

鈹銅帶材沖壓開裂的主要原因為原材料中Ca、Mg等雜質元素夾雜。Ca與O等元素形成球狀顆粒物，而鈹青銅基體的均勻、連續性受到破壞，引起應力集中，成為材料的薄弱環節，致使材料局部強度和韌性下降。

當受外力作用沖壓成形時，這些應力集中區會首先開裂形成裂紋源。

作為有害雜質元素的Mg、Ca其含量越低越好，一般控制在50mg/Kg以下。隨著有害雜質元素含量的升高其影響就越大。所以為避免開裂必須：控制鑄錠的冶金質量，精煉過程中采取扒渣操作和過濾澆鑄等方法以便減少和消除夾雜物。