H68黃銅形變?cè)俳Y(jié)晶溫度及晶粒尺寸變化的研究

唐志君，王 晨，劉克昌，邢若宇

（北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司，北京 100083）

1 研究背景

金屬材料的形變?cè)俳Y(jié)晶是金屬學(xué)里面的一個(gè)重要研究部分。近幾年，一些由于材料失效導(dǎo)致的工程事故也大都與材料的形變?cè)俳Y(jié)晶有很大關(guān)系。此前有不少的研究針對(duì)工模具鋼、高速鋼等材料的形變?cè)俳Y(jié)晶作出全面分析研究；而對(duì)有色金屬的相關(guān)研究卻乏善可陳。

有色金屬中，使用較為廣泛的是銅合金，本研究針對(duì)銅合金中使用最為廣泛的H68黃銅進(jìn)行研究，擬對(duì)其加工變形后在不同回火溫度下獲得的金相組織進(jìn)行對(duì)比，推測(cè)其性能特點(diǎn)以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[1]。

H68黃銅有較為良好的塑性（明顯優(yōu)于其它黃銅）和較高的強(qiáng)度，在成型性能方面也有較大的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使H68黃銅成為普通黃銅中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)品種。用于復(fù)雜的冷沖件和深沖件，如散熱器外殼、導(dǎo)管、波紋管、彈殼、墊片、雷管等[2]。

鑒于此，本研究針對(duì)H68黃銅在加工成型和再結(jié)晶方面的特征進(jìn)行研究，希望能獲得較為合適的形變方法和再結(jié)晶溫度，供企業(yè)在加工過(guò)程中參考選擇。

2 樣品基本情況及形變方式的選擇

根據(jù)GB/T 5231-2012的要求，H68黃銅的化學(xué)成分：Cu：67.0-70.0%，F(xiàn)e：0.10%，Pb：0.03%，余量為Zn，雜質(zhì)總和不超過(guò)0.3%。一般情況下的H68黃銅供貨態(tài)為硬態(tài)，大都是已經(jīng)通過(guò)軋制成型的板材。硬態(tài)的H68黃銅有明顯的脆性，無(wú)法直接進(jìn)行變形加工。

供貨態(tài)黃銅大都是硬態(tài)，所以在加工過(guò)程中可能會(huì)開(kāi)裂甚至崩碎。本研究第一次嘗試對(duì)黃銅進(jìn)行變形時(shí)，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮黃銅樣品，速率設(shè)定為5mm/min，結(jié)果樣品出現(xiàn)突發(fā)性的開(kāi)裂，開(kāi)裂方向與壓縮方向呈45°，斷口光滑。在進(jìn)行軋制的時(shí)候，直接對(duì)供貨態(tài)的H68黃銅冷軋也會(huì)導(dǎo)致其崩碎。由此可見(jiàn)，硬態(tài)的H68黃銅需要退火方可加工。

常見(jiàn)的金屬原料形變手段有壓縮、錘擊和軋制。錘擊適用于純鋅等較軟的有色金屬；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓縮功能對(duì)于工業(yè)純鐵或碳鋼類(lèi)樣品的變形較適用。對(duì)于黃銅而言，錘擊可能形成裂紋；壓縮容易導(dǎo)致表面晶粒與中心晶粒出現(xiàn)形變差異，不利于后續(xù)的再結(jié)晶；故不作為本研究的形變手段[3，4]。

本研究最終選擇了軋制的方式來(lái)模擬H68黃銅在實(shí)際生產(chǎn)中的形變。因?yàn)檐堉瓶梢员ＷC晶粒細(xì)化且變形更加均勻。為了模擬實(shí)際生產(chǎn)中可能存在的大變形量，本研究的最終變形量定為60%。硬態(tài)黃銅原料無(wú)法冷軋，故最終變形方式定為加熱條件下的軋制，軋制變形量定為60%。具體軋制方案為：將10mm厚的H68黃銅板在200℃～250℃加熱爐中保溫一小時(shí)后進(jìn)行軋制；每道次壓下率控制在3%～5%，過(guò)程中監(jiān)測(cè)樣品表面溫度，保證每道次軋制后樣品溫度在200℃以上。最終下壓量達(dá)60%后，空冷至室溫。

3 形變及再結(jié)晶樣品金相組織

3.1 形變后的H68黃銅金相組織

取軋制后樣品截面，觀察組織形貌。樣品組織可見(jiàn)明顯的沿軋制方向伸長(zhǎng)的變形晶粒，部分晶粒內(nèi)有褶皺，無(wú)明顯孿晶。樣品表面與中心的晶粒形變情況基本一致。

黃銅樣品金相組織制備方法為：在冷卻水保護(hù)下切取一小塊樣品，將其平行于軋制方向的截面朝下鑲嵌；鑲嵌后依次使用320#、600#、800#、1000#、1500#砂紙磨平表面，之后使用拋光機(jī)加入2.5μm金剛石拋光膏對(duì)其表面進(jìn)行拋光至鏡面；拋光后使用氯化鐵鹽酸溶液浸蝕。后續(xù)樣品的金相組織均采用此方法制備。以此獲得的軋制后H68黃銅的金相組織如下：

圖1 經(jīng)過(guò)60%形變量軋制后的H68黃銅， 200x

3.2 形變后H68黃銅在不同回火溫度下的再結(jié)晶情況

部分研究表明，300℃以下的溫度不能使大多數(shù)黃銅產(chǎn)生再結(jié)晶，但有部分研究稱(chēng)270℃會(huì)使部分牌號(hào)的黃銅出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。

根據(jù)以上資料，本研究對(duì)形變后的H68黃銅板進(jìn)行取樣，并擬定270℃、350℃、550℃和750℃四個(gè)溫度為回火溫度；為保證樣品再結(jié)晶程度易于觀察，保溫時(shí)間定為1h。回火完成后的H68黃銅再結(jié)晶樣品的金相組織如下：

圖2 H68黃銅60%形變270℃（上）、350℃（下）保溫1h后金相組織， 200x

形變后的H68黃銅經(jīng)270℃保溫1h后，無(wú)明顯組織變化?？梢?jiàn)270℃并不能使形變后的H68黃銅產(chǎn)生再結(jié)晶。而350℃保溫1h后，H68黃銅形變樣品出現(xiàn)了明顯的組織變化：大多數(shù)晶粒的變形特征均被消除，組織均勻；再結(jié)晶的晶粒晶界較為圓潤(rùn)，晶粒尺寸與形變后的晶粒差異不大，無(wú)明顯孿晶。

經(jīng)550℃保溫1h后，形變后的H68黃銅樣品出現(xiàn)了明顯的再結(jié)晶且晶粒已經(jīng)長(zhǎng)大（如圖3左）。變形晶粒已完全消除，再結(jié)晶晶粒有明顯孿晶特征。而經(jīng)過(guò)750℃保溫1h后，形變的H68黃銅已完成了再結(jié)晶并且有非常明顯的晶粒長(zhǎng)大，奧氏體晶界較為飽滿(mǎn)，晶粒內(nèi)有明顯的孿晶組織。

圖3 H68黃銅60%形變550℃（上）、750℃（下）保溫1h后金相組織， 200x

3.3 再結(jié)晶后的晶粒度檢測(cè)及性能預(yù)測(cè)

為評(píng)估不同溫度下再結(jié)晶后的H68黃銅的性能，本研究對(duì)上述的樣品進(jìn)行了晶粒度測(cè)評(píng)。晶粒度評(píng)級(jí)方法選用GB/T 6394-2017規(guī)定的單圓截點(diǎn)法，每個(gè)樣品測(cè)量五次后計(jì)算95%置信區(qū)間并判斷相對(duì)誤差（不超過(guò)10%視為結(jié)果有效）。形變樣品及270℃回火樣品晶粒變形較嚴(yán)重，故不做評(píng)級(jí)。其它三組樣品晶粒度檢測(cè)情況如下表。

表1 形變后的H68黃銅經(jīng)350℃～750℃回火后的晶粒度評(píng)級(jí)

由上表可以看出，再結(jié)晶晶粒的尺寸隨著回火溫度的上升而增大。據(jù)此可以推測(cè)，隨著溫度升高，形變后的H68黃銅的強(qiáng)度會(huì)有所下降，同時(shí)由于其奧氏體晶粒的特點(diǎn)，晶粒尺寸增大會(huì)導(dǎo)致樣品脆性更加明顯，塑性下降。一般認(rèn)為，晶粒細(xì)化的金屬材料，擁有更好的綜合性能。由此可見(jiàn)，在本研究的熱處理工藝設(shè)計(jì)中，350℃保溫1h后的形變H68黃銅的綜合性能應(yīng)該是最佳的。

4 結(jié)論

根據(jù)以上研究，我們可得到以下結(jié)論：首先，常見(jiàn)的H68黃銅供貨態(tài)大都為硬態(tài)，在形變加工前需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砘蜻x擇加熱后再形變加工的方式，建議加熱溫度為200℃～250℃。

其次， 270℃不足以使形變后的H68黃銅發(fā)生再結(jié)晶。350℃保溫1h后，形變后的H68黃銅出現(xiàn)了明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，再結(jié)晶后的組織均勻，無(wú)明顯的孿晶組織，晶粒尺寸較細(xì)小。

第三，溫度對(duì)于形變后的H68黃銅再結(jié)晶晶粒尺寸有明顯的正相關(guān)關(guān)系。形變后的H68黃銅經(jīng)過(guò)350℃、550℃、750℃保溫1h后，其金相組織的平均晶粒度分別為9.94±0.17、5.12±0.20、3.91±0.35。

以上結(jié)論在實(shí)際生產(chǎn)中可以提出以下建議：供貨態(tài)H68黃銅在加工時(shí)一定要適當(dāng)加熱或熱處理后加工，推薦溫度為200℃～250℃。350℃再結(jié)晶后的H68黃銅金相組織均勻，晶粒尺寸較?。煌扑]使用該溫度對(duì)加工成型的H68黃銅產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，以獲得較好的綜合性能。