C19400銅合金帶材折彎性能分析

高紅姣，張彥敏,1b，周 菲，周延軍,1b，蘇娟華,1b，胡銅生，洪小兵，劉愛奎

(1.河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院; b. 有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023；2.銅陵金威銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000；3.凱美龍精密銅板帶(河南)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

隨著連接器向更快、更小、更智能的方向發(fā)展，銅及銅合金帶的使用也越來越廣泛[1-5]。高成形性成為連接器用銅合金帶材的關(guān)鍵要求[6-7]，其中折彎性能是衡量連接器用帶材的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8-11]。C19400銅合金是典型的引線框架及高端連接器材料，有優(yōu)良的綜合性能[12-15]。對該合金的研究熱點(diǎn)主要集中在材料的強(qiáng)度、傳導(dǎo)性能、抗高溫軟化性能等方面[16-18]，對材料的折彎性能還未見報(bào)道。

板料的折彎性能直接影響成形零件的質(zhì)量和精度，折彎后回彈造成零件形狀尺寸偏差，最小彎曲半徑越小，板料可以允許的塑性變形越大[13-22]。文獻(xiàn)[23]研究了板料厚度、凸模圓角半徑、摩擦因數(shù)對折彎工藝的影響規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)影響回彈的最主要因素是凸模圓角半徑，影響開裂的主要因素是厚度。文獻(xiàn)[24]利用自行研制的模具，對C2680黃銅箔進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過分析回彈量與折彎變形后中性層的位置關(guān)系，發(fā)現(xiàn)材料越薄， 彎曲半徑越大，材料彎曲時(shí)中性層的位置系數(shù)越大，回彈量越大。文獻(xiàn)[25]針對不同厚度、不同晶粒尺寸的C5210磷青銅薄板進(jìn)行彎曲性能分析，考察了整個(gè)變形過程的應(yīng)力應(yīng)變情況，發(fā)現(xiàn)薄板的厚度越大，回彈量越小。在前期研究中，主要集中于料厚和彎曲半徑對板料折彎變形之后回彈行為和表面形貌的研究，未曾結(jié)合微觀組織形態(tài)對折彎性能進(jìn)行分析。

本文對冷軋態(tài)不同厚度的C19400銅合金帶材進(jìn)行不同彎曲半徑90°V形折彎，對不同折彎情況下的回彈進(jìn)行測量。對折彎后的外側(cè)表面質(zhì)量及厚度截面組織形態(tài)進(jìn)行觀察分析，對不同厚度冷軋態(tài)C19400銅合金帶材的折彎性能進(jìn)行評(píng)估，以期為該帶材的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為寧波興業(yè)有限公司生產(chǎn)的軋制C19400銅合金帶材,厚度分別為0.2 mm、0.4 mm、0.8 mm和1.0 mm。按照 GB/T 232—2010[26]金屬材料彎曲試驗(yàn)方法中對彎曲試樣的要求,采用精細(xì)電火花線切割加工出長為60 mm、寬為25 mm的矩形試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

由于連接器在實(shí)際生產(chǎn)過程中，材料折彎角度多為90°[10]，故在模具設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)折彎角度為90°。最小相對彎曲半徑作為評(píng)判材料折彎性能的依據(jù)，模具圓角半徑設(shè)計(jì)尤為重要，選用銅合金最小相對彎曲半徑的經(jīng)驗(yàn)值0.4[27]，根據(jù)材料的不同厚度，進(jìn)行不同圓角半徑的模具設(shè)計(jì)。為了研究不同厚度、不同彎曲半徑C19400銅合金帶材的折彎性能，設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列不同圓角半徑的90°V形折彎模具，圓角半徑分別為0.16 mm、0.32 mm、0.40 mm。V形折彎模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 凸模

試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的多功能試驗(yàn)機(jī)上完成。折彎凸模安裝在試驗(yàn)機(jī)模座上，凹模固定在試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)面上，通過計(jì)算機(jī)控制調(diào)整凸模的上下移動(dòng)和位置。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照GB/T 232—2010[26]《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》中的程序要求進(jìn)行。試驗(yàn)前將試樣用無水乙醇擦拭干凈，防止表面有雜質(zhì)影響折彎性能，將試樣放在凹模中間位置，緩慢施加力,當(dāng)材料充分折彎，保持10 s之后，設(shè)備回程，凸模上升，取出材料。分析板料折彎后的回彈及表面變形情況。

對折彎后的試樣進(jìn)行回彈測量。折彎后的試樣用筆沿著折彎內(nèi)側(cè)畫線，通過掃描儀掃描成圖片,把圖片導(dǎo)入Auto CAD軟件來測量其回彈后的角度，得到其回彈量，此方法參照文獻(xiàn)[25],在相同的試驗(yàn)條件下，測量5次折彎試驗(yàn)的回彈量，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。將試樣按照規(guī)定的彎曲角度成形后，進(jìn)行表面觀察，檢查其變形區(qū)外側(cè)表面是否出現(xiàn)裂紋等缺陷。

觀察不同情況折彎后外表面形貌，并用相機(jī)進(jìn)行拍攝。采用光學(xué)顯微鏡對彎曲前后厚度截面方向進(jìn)行微觀組織觀察。將不同情況折彎前后的試樣進(jìn)行切割，觀察其厚度截面的顯微組織。采用試樣裝夾工具固定試樣，經(jīng)研磨、拋光，用硝酸鐵鹽酸溶液進(jìn)行腐蝕后，采用舜宇I(lǐng)CX41M型倒置金相顯微鏡對微觀組織進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 回彈量與彎曲半徑關(guān)系曲線

2.1 彎曲半徑對回彈的影響

試驗(yàn)中彎曲半徑r分別為0.16 mm、0.32 mm和0.40 mm。不同厚度的C19400銅合金帶材折彎變形后回彈量與彎曲半徑關(guān)系曲線如圖 2所示。由圖2可以看出：隨著彎曲半徑增大，不同厚度的C19400合金帶材折彎后回彈均呈現(xiàn)增大趨勢。料厚小于0.5 mm時(shí)，較小彎曲半徑即出現(xiàn)嚴(yán)重回彈。料厚為0.2 mm、彎曲半徑為0.16 mm時(shí)，回彈量達(dá)到9.4°，隨著彎曲半徑的增大，回彈量變化較小，甚至在彎曲半徑為0.40 mm時(shí)回彈還出現(xiàn)了減小現(xiàn)象。當(dāng)材料厚度較薄時(shí)(<0.5 mm)，彎曲半徑增大到0.40 mm，折彎變形時(shí)受到不均勻變形，且厚度越小，此現(xiàn)象越明顯。料厚為0.2 mm時(shí)，不均勻變形程度增大，導(dǎo)致力卸載后出現(xiàn)整體回彈量減小的現(xiàn)象。料厚為0.4 mm時(shí)，隨著彎曲半徑的增大，回彈量緩慢增大。當(dāng)料厚大于0.5 mm時(shí)，隨著彎曲半徑的增大回彈量急劇增加。料厚為1.0 mm、彎曲半徑為0.16 mm時(shí)，回彈只有2.1°；當(dāng)彎曲半徑增大到0.40 mm時(shí)，回彈達(dá)到8.7°，回彈增長率為27.5%。另外，隨著彎曲半徑的增加，不同厚度帶材在相同彎曲半徑下的回彈大小趨于接近，彎曲半徑較小時(shí)(0.16 mm)，不同厚度回彈量相差7.3°，彎曲半徑增大到0.40 mm時(shí)，不同厚度帶材折彎后回彈量相差僅為1.9°。

2.2 厚度對回彈的影響

圖3 回彈量與料厚關(guān)系曲線

回彈量與料厚關(guān)系曲線如圖 3所示。由圖3可知：隨著料厚的增加，不同彎曲半徑時(shí)帶材的回彈都趨于下降趨勢，彎曲半徑越小，回彈量下降越明顯。當(dāng)彎曲半徑為0.16 mm時(shí)，回彈受料厚的影響最明顯，由初始的9.4°下降到2.1°，相差7.3°。彎曲半徑越大，回彈受料厚的影響越小。彎曲半徑為0.40 mm時(shí)，不同料厚帶材最大回彈與最小回彈分別為10.6°和8.7°，相差僅為1.9°；料厚從0.2 mm增大到0.4 mm時(shí)出現(xiàn)回彈量上升的現(xiàn)象，這是由于料厚為0.2 mm、彎曲半徑為0.40 mm時(shí)，發(fā)生不均勻變形的程度增大所致。隨著料厚的增加，不同彎曲半徑時(shí)相同料厚帶材的回彈大小相差增大。料厚為0.2 mm時(shí)，不同彎曲半徑下帶材的回彈量相差僅為0.8°；料厚增大到1.0 mm時(shí)，不同彎曲半徑下帶材折彎后回彈量相差6.6°。

2.3 折彎后表面宏觀形貌

圖4為不同厚度帶材在不同彎曲半徑時(shí)90°折彎后表面形貌。由圖4可以看出：不同厚度不同彎曲半徑時(shí)，C19400帶材折彎后外表面形貌不同。當(dāng)厚度較小(<0.5 mm)時(shí)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)彎曲半徑下折彎，帶材表面均光滑平整(見圖4a)，和折彎前表面質(zhì)量相同，此時(shí)相對彎曲半徑達(dá)到r/t=0.4。隨著料厚增加，當(dāng)料厚為0.8 mm，折彎半徑為0.40 mm時(shí)，折彎后材料表面出現(xiàn)微小的褶皺(見圖4b)，此時(shí)相對彎曲半徑為r/t=0.5，隨著彎曲半徑的進(jìn)一步減小，表面出現(xiàn)明顯的橘皮組織和微裂紋(見圖4c)。材料料厚進(jìn)一步增加到1.0 mm時(shí)，相同彎曲半徑下(r=0.40 mm)折彎，表面出現(xiàn)更為嚴(yán)重的缺陷(見圖4d)。由此表明，彎曲半徑和料厚對C19400冷軋態(tài)帶材折彎后表面形貌影響較為嚴(yán)重。由于料厚的增大(0.8 mm)，相對彎曲半徑為0.5時(shí)，折彎后表面出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。而料厚在0.4 mm時(shí)，相對彎曲半徑為0.4，表面光滑平整。因此，在零件結(jié)構(gòu)相同的情況下，針對厚度大的帶材，應(yīng)采用更大的彎曲半徑，以保證彎曲件的質(zhì)量要求。

(a) t=0.4 mm,r=0.16 mm

(c) t=0.8 mm,r=0.32 mm

2.4 顯微組織分析

圖5為料厚1.0 mm、折彎半徑為0.16 mm時(shí)，帶材折彎前后厚度方向金相組織。圖5中，坐標(biāo)軸RD表示軋制方向，ND表示軋制面的法向。從圖5a可以看出: 折彎前帶材厚度方向組織均勻，主要為平行于軋制方向的纖維組織。折彎變形時(shí)，外層材料受到拉應(yīng)力，內(nèi)層材料受壓應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形，外部載荷去除，部分彈性變形得到回復(fù)，剩余變形得以保持。從圖5b可以看出: 折彎變形后帶材的纖維流線出現(xiàn)了明顯改變，由原來的平行于軋制方向變成了彎曲的流線，而且隨著厚度的增加，流線的彎曲程度更加明顯。

(a) 折彎前 (b) 折彎后

圖6為折彎半徑0.16mm時(shí)，不同厚度下C19400銅合金折彎后外側(cè)金相組織。當(dāng)材料較薄(<0.5 mm)時(shí)(見圖6a)，折彎后沿厚度方向變形均勻，金屬流線完整、連續(xù)。當(dāng)料厚增加(≥0.5 mm)時(shí)，折彎后厚度方向內(nèi)外層金屬變形出現(xiàn)明顯的不同，板料越厚，相同折彎半徑下外層材料的變形程度越大。料厚為0.8 mm、折彎半徑為0.16 mm時(shí)(見圖6b)，折彎后材料外層纖維組織被拉長，局部出現(xiàn)不連續(xù)纖維，這也是造成帶材折彎表面出現(xiàn)橘皮的主要原因。當(dāng)料厚進(jìn)一步增加(1.0 mm時(shí))時(shí)，相同折彎半徑下(見圖6c)，折彎后外層材料變形劇烈，除了出現(xiàn)晶粒拉長、不連續(xù)等現(xiàn)象外，局部的塑性變形還造成了外表層出現(xiàn)微裂紋。

(a) t=0.4 mm (b) t=0.8 mm (c) t=1.0 mm

綜上所述，板料厚度和折彎半徑對C19400帶材90°折彎后回彈及表面質(zhì)量有很大影響，回彈的大小直接影響折彎后制件的精度，而折彎后的內(nèi)外表面質(zhì)量也會(huì)影響產(chǎn)品服役時(shí)的傳輸效能。

3 結(jié)論

(1)厚度和彎曲半徑(相對彎曲半徑)對冷軋態(tài)C19400 合金帶材的折彎性能影響顯著。

(2)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)厚度為0.4 mm、折彎半徑為0.16 mm時(shí)，回彈量小且?guī)Р恼蹚澅砻媪己谩?/p>

(3)對于冷軋態(tài)C19400合金帶材，當(dāng)帶材厚度<0.5 mm時(shí)，90°折彎時(shí)相對彎曲半徑應(yīng)≥0.5,當(dāng)帶材厚度為0.5～1.0 mm、90°折彎時(shí)，為保證折彎后的表面質(zhì)量，相對彎曲半徑應(yīng)≥1。