C19400 銅合金帶材折彎性能分析

　　摘要：對(duì)冷軋態(tài)不同厚度 C19400 銅合金帶材進(jìn)行不同彎曲半徑 90°V 形折彎，測(cè)量了折彎后的回彈，觀察了折彎后帶材外表面形貌。 借助金相顯微鏡分析了帶材折彎前后的微觀組織。 研究結(jié)果表明：厚度相同時(shí)，回彈量隨著彎曲半徑的增大而增大;彎曲半徑相同時(shí)，回彈量隨厚度的增大而減小。 當(dāng)帶材厚度較薄(<0.5 mm)時(shí)，在不同彎曲半徑下折彎，帶材折彎表面均光滑平整;當(dāng)帶材厚度增大(≥0.5 mm)時(shí)，隨著彎曲半徑的減小，表面出現(xiàn)橘皮、裂紋缺陷。 帶材厚度增大，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、裂紋的主要原因。 試驗(yàn)范圍內(nèi)帶材厚度為 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>

　　關(guān)鍵詞：C19400;折彎性能;回彈量;彎曲半徑

　　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(duì)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(duì)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(duì)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(duì) 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(duì)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(duì)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(duì)折彎性能進(jìn)行分析。本文對(duì)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(duì)不同折彎情況下的回彈進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)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(duì)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(duì)彎曲試樣的要求，采用精細(xì)電火花線切割加工出長(zhǎng)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(duì)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(duì)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。

　　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(duì)折彎后的試樣進(jìn)行回彈測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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 ICX41M 型倒置金相顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行觀察。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果

　　2.1 彎曲半徑對(duì)回彈的影響

　　試驗(yàn)中彎曲半徑 r 分別為 0.16 mm、0.32 mm 和 0.40mm。 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，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(shì)。 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(zhǎng)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°。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(shì)，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

　　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，和折彎前表面質(zhì)量相同，此時(shí)相對(duì)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，此時(shí)相對(duì)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。

　　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。 由此表明，彎曲半徑和料厚對(duì) 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(duì)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(duì)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(duì)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。

　　2.4 顯微組織分析

　　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。 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。

　　當(dāng)材料較薄( <0.5mm)時(shí)，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)，折彎后材料外層纖維組織被拉長(zhǎng)，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，折彎后外層材料變形劇烈，除了出現(xiàn)晶粒拉長(zhǎng)、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。綜上所述，板料厚度和折彎半徑對(duì) 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(duì)彎曲半徑)對(duì)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?3)對(duì)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(duì)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(duì)彎曲半徑應(yīng)≥1。

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　　作者：高紅姣1a，張彥敏1a，1b，周 菲1a，周延軍1a，1b，蘇娟華1a，1b，胡銅生2，洪小兵2，劉愛奎3

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