基于不同溫度退火處理下的銅錳合金 性能組織變化分析

吳啟明，陳愛華

(中天合金技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226001)

銅錳基合金釬料通常需要經(jīng)過熱加工、合金化、退火冷卻以及塑性加工等一系列工藝的處理，合金組織的成型性能對生產(chǎn)情況十分重要，而合金材料的性能組織同樣對塑性加工過程存在很大的影響[1-2]。為此，本文選擇不同溫度對熱軋加工后銅錳合金材料進行退火冷卻處理，旨在分析不同退火溫度下銅錳合金板材的性能組織發(fā)生的變化，從而為該類合金的塑性加工處理及實際應(yīng)用提供相關(guān)借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本次實驗所選用的銅錳合金板材均經(jīng)過熱軋開坯加工處理，板材厚度為3.0 mm，合金中主要化學(xué)成分包括銅56%～58%、錳32%～33%、鈷10%～11%、鐵0.5%～1.0%。

1.2 實驗方法

實驗設(shè)備及工具：箱式電阻爐、鹽酸—硝酸鐵水溶液、光學(xué)顯微鏡、電子拉伸機。

方法及流程：采用箱式電阻爐在不同溫度下對銅錳合金板材進行退火處理，設(shè)定溫度從低到高漸變5個層級，分別為650，700，750，800，850℃，設(shè)定時間為1.0 h；采用鹽酸—硝酸鐵水溶液100 mL進行金相試樣制備，腐蝕時間控制在15～30 s之間，采用光學(xué)顯微鏡對合金板材組織進行觀察；通過電子拉伸機開展室溫拉伸試驗，控制拉伸速度為1.0 mm/min，參照ASTM E8[3-5]拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)。

2 實驗結(jié)果

2.1 銅錳合金熱軋狀態(tài)下顯微組織

銅錳合金熱軋狀態(tài)下顯微組織見圖1。

圖1 銅錳合金熱軋狀態(tài)下顯微組織

從圖1a中的組織紋路來看，經(jīng)過熱軋?zhí)幚砗?，因合金組織處于回復(fù)中，因而未再出現(xiàn)顯著的結(jié)晶現(xiàn)象，可見條狀與絮狀組織存在。從圖1b中的組織紋路來看，有較多的化合物粒子，且該粒子尚未溶解，同時有少量的腐蝕性小坑存在。

2.2 銅錳合金退火狀態(tài)下顯微組織

銅錳合金退火狀態(tài)下顯微組織見圖2。

圖2 銅錳合金退火狀態(tài)下顯微組織

從圖2能看出，當(dāng)淬火溫度逐步提升時，銅錳合金板材的再結(jié)晶現(xiàn)象越來越明顯。淬火溫度為650℃時，銅錳合金組織處于回復(fù)過程，原本熱軋態(tài)下的板條狀組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛罱M織，且呈現(xiàn)出彌散性分布；淬火溫度為700℃時，出現(xiàn)不完全再結(jié)晶現(xiàn)象，且多數(shù)晶粒分布散亂、狀態(tài)細??；淬火溫度為750℃時，出現(xiàn)完全再結(jié)晶現(xiàn)象，并體現(xiàn)出接近于純銅性質(zhì)的退火組織，此時合金中絮狀組織較之前明顯有所減少；淬火溫度為800℃時，晶粒明顯變大，未見絮狀組織，但可見較少的MnCo化合物粒子存在且尚未溶解；淬火溫度為850℃時，晶粒體形態(tài)更大粗大，此時MnCo化合物粒子已經(jīng)徹底消溶。

2.3 銅錳合金冷卻狀態(tài)下顯微組織

銅錳合金冷卻狀態(tài)下顯微組織見圖3。

隨爐冷卻后，銅錳合金中沿軋制方向可見絮狀組織的大量分布。爐冷溫度為600℃時，絮狀組織多散亂分布，且有片狀特點；爐冷溫度為650℃時，合金組織中絮狀更細長，呈緊密分散特點；爐冷溫度為700℃時，合金組織出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，且絮狀組織中有部分呈現(xiàn)為小塊狀形態(tài)分布；爐冷溫度為750～800℃時，合金組織中的絮狀組織從原本的細狀、長條狀逐漸粗大化。通過與圖2比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金處于高溫加熱狀態(tài)時，銅錳合金的元素出現(xiàn)擴散、溶解現(xiàn)象。溫度上升的過程中，因合金絮狀組織不斷積累，從而呈現(xiàn)出粗大化分布。合金組織中元素逐漸增加，使得沿著軋制方向的剪切帶、變形組織在塑性時有所增加，最終造成大量變形帶的出現(xiàn)，且沿軋制方向規(guī)律分布。

圖3 銅錳合金冷卻狀態(tài)下顯微組織

2.4 銅錳合金熱處理后的力學(xué)性能變化

銅錳合金熱處理后的力學(xué)性能變化見圖4。

圖4 銅錳合金熱處理后的力學(xué)性能變化

銅錳合金在熱軋態(tài)下的抗拉強度最高達到731 MPa，屈服強度達到491 MPa，伸長率為23.4%。當(dāng)淬火溫度上升時，其抗拉強度緩慢下降；淬火溫度達到650℃時，銅錳合金屈服強度最大，高達733 MPa；淬火溫度超過650℃以后，屈服強度也逐漸下降；淬火溫度在650℃時，合金伸長率最小，而后隨溫度的上升呈現(xiàn)出顯著增強的趨勢，提示淬火溫度在800～850℃時，銅錳合金經(jīng)熱處理后具有良好的成型性能。相比于淬火冷卻，隨爐冷卻的合金抗拉、屈服強度均有所增強；爐冷溫度為650℃時，銅錳合金強度得到顯著增強，但其伸長率最低，僅有11.1%；而隨溫度的逐漸上升，抗拉、屈曲強度逐漸下降，而伸長率逐漸提高。由此可見，以800～850℃淬火方式處理時，合金板材塑性成型性能極佳。

3 結(jié) 論

工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，純銅的工業(yè)應(yīng)用范圍一直很廣，而關(guān)于銅錳合金的研究與報道以往并不多見，近些年隨著我國經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展，有關(guān)銅錳合金退火工藝處理方面的研究也逐漸增多。因銅錳合金具備良好的韌性、阻尼性和導(dǎo)電性等優(yōu)勢，在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中具有十分重要的應(yīng)用價值。但該類合金釬料需要經(jīng)過一系列工藝處理成相應(yīng)規(guī)格的材料才能投入應(yīng)用，可見銅錳合金組織的成型性能如何直接影響到工業(yè)生產(chǎn)加工。

本文通過采用箱式電阻爐、光學(xué)顯微鏡等實驗手段研究了不同溫度退火處理下的銅錳合金板材性能組織變化情況，所得結(jié)論陳述如下：

1)銅錳合金熱軋?zhí)幚砗?，合金組織處于回復(fù)狀態(tài)，觀察后可見條狀與絮狀組織。同時，化合物粒子較多且為未溶解形態(tài)，同時可有少量腐蝕性小坑；

2)銅錳合金淬火后，溫度逐步提升時，組織再結(jié)晶現(xiàn)象也更加明顯，絮狀組織隨溫度上升逐漸減少；

3)銅錳合金爐冷狀態(tài)下，沿軋制方向可見絮狀組織的大量分布。隨著溫度的上升，絮狀組織逐漸從散亂分布逐漸變?yōu)殚L條狀規(guī)律分布；

4)淬火溫度上升后，銅錳合金強度下降，但伸張率明顯得到提升；隨爐冷卻后，銅錳合金強度得到提升，但伸長率相對偏低。選擇800～850℃淬火方式處理時，銅錳合金板材具有優(yōu)良的塑性成型性能。