壓縮變形及退火對純銅組織及性能的影響

張 倩， 李秀青， 魏世忠， 王 琪， 婁文鵬， 徐流杰

(河南科技大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院; b. 金屬材料磨損控制與成型技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心; c. 河南省高溫結(jié)構(gòu)與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 洛陽 471023)

0 引言

純銅具有良好的韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可加工性以及優(yōu)異的延展性，并且價(jià)格適中，作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱等功能材料被廣泛應(yīng)用于電力電子工業(yè)、電器工業(yè)和軍工等領(lǐng)域[1-2]。隨著科技的進(jìn)步，對純銅的性能提出了更高的要求，尤其是在純銅材料的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能方面。

根據(jù)Hall-Petch公式可知，晶粒細(xì)化既能提高純銅的塑性，又能提高其力學(xué)性能。低溫形變熱處理是一種比較簡單的晶粒細(xì)化方式[3]。變形方式一般有鐓粗、拉拔、擠壓、軋制和壓縮等[4-7]。文獻(xiàn)[8]通過110次反復(fù)鐓擠純銅試樣使得材料產(chǎn)生很大的塑性變形，從而獲得細(xì)小的純銅晶粒，晶粒尺寸由50～200 μm細(xì)化到77.1 nm。文獻(xiàn)[9]對比研究了冷軋與交叉軋制方式對純銅晶粒尺寸的影響，冷軋后熱處理可將純銅的平均晶粒尺寸由100 μm細(xì)化到9.8 μm，而交叉軋制后熱處理可將純銅平均晶粒尺寸細(xì)化到6.5 μm，效果更好。文獻(xiàn)[10]通過六道次異步累積疊軋的方式，使銅材晶粒尺寸由30～50 μm細(xì)化到5 μm。文獻(xiàn)[11]采用單步拉拔冷變形與退火工藝相結(jié)合的方式對工業(yè)純銅進(jìn)行處理，晶粒尺寸達(dá)到25～60 μm。相比以上幾種方式，室溫壓縮方式更為簡單，易于操作。

本文深入研究了一種純銅的晶粒細(xì)化機(jī)理和方式，分析了室溫壓縮變形及熱處理對純銅組織及性能的影響。通過室溫壓縮試驗(yàn)、顯微組織觀察、顯微硬度測試和晶粒統(tǒng)計(jì)等方法，系統(tǒng)地研究了不同變形程度和不同退火工藝對純銅組織與性能的影響。此外，還揭示了純銅再結(jié)晶晶粒細(xì)化的機(jī)理，確定不同變形程度純銅的最佳退火工藝參數(shù)，可為純銅晶粒的細(xì)化和退火工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 純銅壓縮試樣的制備

試驗(yàn)所使用的材料是商業(yè)購買的純銅棒材，使用DK7780型的線切割機(jī)將純銅棒材切割成φ8 mm×12 mm的圓柱試樣，并用粗砂紙將試樣的上下表面打磨平整。

1.2 純銅試樣室溫壓縮

分別對試樣進(jìn)行兩個(gè)變形程度的室溫壓縮，一個(gè)變形程度為40%，試樣高度從12.0 mm壓至7.2 mm；另一個(gè)變形程度為80%，試樣高度從12.0 mm壓至2.4 mm。

1.3 純銅試樣熱處理

為了研究熱處理工藝對純銅組織與性能的影響，把壓縮后的試樣置于氬氣保護(hù)的高溫燃燒定碳爐內(nèi)進(jìn)行退火處理。

由于純銅的熔點(diǎn)為1 356.55 K，根據(jù)文獻(xiàn)[12]計(jì)算其最低再結(jié)晶溫度為約430 ℃，因此將退火溫度分別設(shè)置為350 ℃、450 ℃和550 ℃，保溫時(shí)間分別設(shè)置為15 min、30 min和60 min。

1.4 純銅試樣顯微組織觀察

為了對試樣進(jìn)行顯微組織觀察，需要對試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光和腐蝕。腐蝕劑按照100 mL乙醇、15 mL鹽酸、5 g氯化鐵的比例進(jìn)行配制，腐蝕時(shí)間為10～15 s。用VEGA-SBH型掃描電子顯微鏡對試樣微觀組織進(jìn)行觀察，并結(jié)合Nano Measurer粒徑分布計(jì)算軟件對每個(gè)試樣的不同區(qū)域進(jìn)行晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，確定平均晶粒尺寸。

1.5 純銅試樣硬度測試

由于試樣較小，顯微硬度測量在型號為HVT-1000的顯微硬度儀上進(jìn)行，載荷為0.49 N，保載時(shí)間為10 s，在每個(gè)試樣靠近中心區(qū)域打7個(gè)不同的點(diǎn)。

利用維氏硬度計(jì)算公式[11]分別計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的維氏硬度，去掉最大值與最小值后求其平均值，作為該試樣的硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變形程度對純銅組織及性能的影響

圖1為純銅變形前后縱截面的顯微組織圖，通過圖1可以更直觀地看出冷變形前后純銅試樣組織的變化情況。原始純銅材料由尺寸為50～200 μm的晶粒組成，原始試樣的組織呈不規(guī)則多邊形，晶粒大小也不均勻，平均晶粒尺寸為150 μm，如圖1a所示。經(jīng)室溫壓縮后的純銅內(nèi)部晶粒發(fā)生明顯變形，具有明顯的方向性，且不同變形程度使得純銅的顯微組織發(fā)生不一樣的變化。如圖1b所示，當(dāng)試樣的冷變形程度為40%時(shí)，原先的不規(guī)則多邊形晶粒沿著垂直于壓縮的方向發(fā)生微小的變化，組織分布不均勻。隨著變形程度的增大，晶粒沿著垂直于壓縮的方向進(jìn)一步被壓縮而呈現(xiàn)長條狀。當(dāng)變形程度達(dá)到80%時(shí)，如圖1c所示，晶粒被壓縮成長條狀，基本看不清楚原有晶界，呈層狀結(jié)構(gòu)。

(a) 原始純銅組織 (b) 冷變形40% (c) 冷變形80%

由于加工硬化作用，壓縮變形后的純銅硬度也相應(yīng)提高,隨著冷變形程度的逐漸增大，純銅的硬度呈現(xiàn)明顯上升趨勢。由測量計(jì)算可知：原始鑄態(tài)試樣硬度為96HV，變形程度為40%的試樣硬度為100HV，變形程度為80%的試樣硬度為118HV。變形程度為40%時(shí)的硬度較原始試樣變化不大，但當(dāng)變形程度達(dá)到80%時(shí)，硬度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未變形的試樣。這是由于純銅在被壓縮時(shí)，晶粒發(fā)生滑移，使得內(nèi)部晶粒被拉長，甚至被破碎和纖維化，純銅內(nèi)部產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象[13-14]。

2.2 熱處理工藝對純銅組織及性能的影響

熱處理能夠改善和提高純銅的性能，降低壓縮變形后純銅組織內(nèi)的缺陷，并且在該過程中容易形成無畸變的再結(jié)晶晶粒和可移動(dòng)的大角度晶界，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，引起純銅性能的變化[15-16]。

2.2.1 熱處理工藝對冷變形程度為40%的純銅組織及性能的影響

熱處理能夠消除室溫壓縮過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及冷作硬化，同時(shí)還可以提高純銅的塑韌性[17]。冷變形程度為40%的純銅退火后的硬度變化曲線如圖2所示。由圖2可見：經(jīng)過退火處理的純銅試樣硬度與冷變形試樣相比，硬度明顯下降。當(dāng)退火溫度為350～550 ℃、保溫時(shí)間為15 min時(shí)，隨著退火溫度的升高，純銅的硬度呈下降趨勢。隨著保溫時(shí)間繼續(xù)延長，材料的硬度依然呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于再結(jié)晶退火能夠消除冷變形后純銅的加工硬化效果以及殘余應(yīng)力，使材料的硬度下降。因此，對于冷變形程度為40%的純銅試樣，當(dāng)保溫時(shí)間相同的條件下，隨著退火溫度的升高，硬度值降低。

圖2 冷變形程度為40%的純銅試樣退火后 的硬度曲線

冷變形程度為40%的純銅在溫度為350～550 ℃、保溫15～60 min的顯微組織如圖3所示。由圖3可見：退火溫度對于純銅晶粒尺寸有很大影響。在350 ℃溫度退火時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，等軸晶逐漸增多，但該溫度下組織并不均勻；當(dāng)熱處理工藝為450 ℃×15 min時(shí)，等軸晶數(shù)量最多且晶粒最為均勻，已經(jīng)全部形成細(xì)小的等軸晶，而且新晶粒相互接觸，原來的纖維組織已經(jīng)完全消除，說明再結(jié)晶已經(jīng)完成。繼續(xù)延長保溫時(shí)間，可以明顯看出晶粒長大。當(dāng)退火溫度升高至550 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒由于退火溫度的升高而逐漸長大，晶粒尺寸略微粗大，并且隨著保溫時(shí)間的延長，晶粒長大的趨勢更加明顯，晶粒粗化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著退火溫度的升高，晶粒長大的速率遠(yuǎn)大于晶粒發(fā)生再結(jié)晶的速率，導(dǎo)致晶界遷移加快，晶粒異常長大，晶粒粗大且不均勻[18]。由此可見，對于冷變形程度為40%的純銅試樣，最佳退火工藝為450 ℃×15 min。

(a) 350 ℃×15 min (b) 350 ℃×30 min (c) 350 ℃×60 min

(d) 450 ℃×15 min (e) 450 ℃×30 min (f) 550 ℃×15 min

繪制冷變形程度為40%的純銅在溫度為350～550 ℃、保溫時(shí)間為15～60 min時(shí)的平均晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)圖，如圖4所示。由圖4可見：對于變形程度為40%的純銅試樣，當(dāng)退火溫度為350 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，平均晶粒尺寸逐漸減小，保溫60 min時(shí)的平均晶粒尺寸(27.1 μm)為該退火溫度下的最小晶粒尺寸；當(dāng)退火溫度為450 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，材料的平均晶粒尺寸逐漸增大，即在此退火溫度下保溫15 min時(shí)的平均晶粒尺寸最小(23.94 μm)；當(dāng)保溫時(shí)間為15 min時(shí)，退火溫度為 350 ℃→450 ℃→550 ℃，晶粒呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。由此可見，在退火工藝為450 ℃×15 min時(shí)，晶粒細(xì)化程度最高，平均晶粒尺寸為23.94 μm。純銅尚未達(dá)到合適的退火工藝之前，升高溫度或延長保溫時(shí)間，會(huì)推動(dòng)再結(jié)晶過程，使得再結(jié)晶晶粒數(shù)量增多、組織均勻，晶粒趨于細(xì)??；當(dāng)達(dá)到再結(jié)晶溫度和時(shí)間之后，繼續(xù)升溫或延長保溫時(shí)間，會(huì)使得再結(jié)晶晶粒繼續(xù)長大呈現(xiàn)粗化狀態(tài)。由此可見，適當(dāng)?shù)厣邷囟然蜓娱L保溫時(shí)間能夠促進(jìn)再結(jié)晶過程，使纖維化的組織等軸晶化，形成均勻的組織。

圖4 冷變形程度為40%的純銅試樣退火后純銅 的平均晶粒尺寸

2.2.2 熱處理工藝對冷變形程度為80%的純銅組織及性能的影響

冷變形程度為80%的純銅硬度隨著退火溫度和保溫時(shí)間的變化情況如圖5所示。由圖5可知：對于變形程度為80%的純銅試樣，在溫度為350～550 ℃、保溫15～60 min退火，隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，試樣的硬度總體呈下降趨勢。這是由于退火過程使純銅壓縮產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得以釋放，使得晶粒內(nèi)部儲(chǔ)能減少，因此試樣的硬度下降[19]。隨著退火溫度的升高，純銅內(nèi)部的晶粒獲得的能量也增多，原子的熱運(yùn)動(dòng)速度加快，形成等軸晶的時(shí)間縮短，硬度下降幅度增大[20]。

圖5 冷變形程度為80%的純銅試樣退火后硬度 變化曲線

對比圖5與圖2可知：經(jīng)退火后的試樣，變形程度為80%的試樣與變形程度為40%的試樣硬度變化趨勢保持一致，都隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，呈下降趨勢。并且在相同的退火工藝下，變形程度為80%的試樣硬度均低于變形程度為40%的試樣硬度。

圖6是冷變形程度為80%的純銅在退火溫度為350～550 ℃，保溫15～60 min的顯微組織圖。由圖6可見：對于變形程度為80%的純銅試樣，在退火溫度為350 ℃下退火、保溫時(shí)間為15 min時(shí)，再結(jié)晶形成等軸細(xì)晶組織，組織均勻細(xì)小。對比圖6a、圖6d和圖6f可知:隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶晶粒不斷長大，甚至?xí)霈F(xiàn)分布不均和異常長大的現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，隨著退火溫度的升高，純銅內(nèi)部的能量增多，已經(jīng)發(fā)生再結(jié)晶的組織會(huì)借助這些多余的能量繼續(xù)發(fā)生晶粒長大，導(dǎo)致最終晶粒粗化。對比圖6a、圖6b和圖6c可知：隨著保溫時(shí)間的延長，再結(jié)晶晶粒繼續(xù)長大，呈粗化狀態(tài)。綜上所述，當(dāng)退火溫度一定時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，再結(jié)晶后的晶粒會(huì)逐漸變大。對于冷變形程度為80%的純銅試樣，最佳退火工藝為350 ℃×15 min，且在此基礎(chǔ)上，溫度的升高或者保溫時(shí)間的延長都會(huì)使再結(jié)晶晶粒過分長大而呈現(xiàn)粗化的狀態(tài)。

(a) 350 ℃×15 min (b) 350 ℃×30 min (c) 350 ℃×60 min

冷變形程度為80%的純銅在溫度350～550 ℃、保溫時(shí)間15～60 min的平均晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)圖如圖7所示。由圖7可見：對于冷變形程度為80%的純銅試樣，退火溫度和保溫時(shí)間對純銅晶粒尺寸影響顯著。當(dāng)退火工藝為350 ℃×15 min時(shí)，冷變形程度為80%的純銅平均晶粒尺寸最小，晶粒細(xì)化程度最大，此時(shí)的平均晶粒尺寸為12.15 μm。在退火溫度為350～550 ℃、保溫時(shí)間15～60 min時(shí)進(jìn)行退火，隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，晶粒逐漸均呈現(xiàn)粗化狀態(tài)。對比冷變形程度為40%的純銅試樣和冷變形程度為80%的純銅試樣退火后組織，冷變形程度為40%時(shí)，試樣完全再結(jié)晶的退火工藝為450 ℃×15 min，而冷變形程度為80%時(shí)，試樣完全再結(jié)晶的退火工藝為350 ℃×15 min。由此可知：試樣冷變形程度增大，完全再結(jié)晶溫度降低。由于變形程度越大的材料，組織內(nèi)部的形變儲(chǔ)能越大，而材料完成再結(jié)晶所需能量一定，因此再結(jié)晶過程需要提供的能量相應(yīng)減少。

圖7 冷變形程度為80%的純銅試樣熱處理工藝 和退火后的晶粒尺寸

3 結(jié)論

(1)對于冷變形程度為40%的純銅，最佳熱處理工藝為450 ℃×15 min；而對于冷變形程度為80%的純銅，最佳熱處理工藝為350 ℃×15 min。

(2)在退火溫度350～550 ℃、保溫15～60 min時(shí)，隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，試樣硬度總體呈下降趨勢。

(3)通過控制冷變形程度、退火溫度和保溫時(shí)間等因素，純銅的平均晶粒尺寸可由鑄態(tài)的150 μm細(xì)化到12.15 μm。