扭轉(zhuǎn)變形與退火處理對(duì)再生銅桿顯微組織和性能的影響

陳燕飛，朱政強(qiáng)，楊群義

(南昌大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院，南昌 330031)

0 引 言

伴隨著電力、電子、通信、汽車以及軌道交通技術(shù)的發(fā)展，電線電纜的用量與應(yīng)用場(chǎng)合不斷增多[1]。銅是電線電纜行業(yè)中重要的原材料，目前銅導(dǎo)線主要通過(guò)先采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)出電工銅桿，通常直徑為8 mm，再經(jīng)過(guò)拉拔、退火等多道工序而制成[2]。電工銅桿作為銅導(dǎo)線加工的中間坯料，其產(chǎn)品質(zhì)量直接決定著成品電纜的品質(zhì)[3]。

近年來(lái)，各銅導(dǎo)線生產(chǎn)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)不斷通過(guò)技術(shù)優(yōu)化來(lái)提高電工銅桿的質(zhì)量以產(chǎn)出高品質(zhì)低成本的電纜線[4-11]。大部分的研究主要集中于電工銅桿拉拔工藝的參數(shù)分析、提高應(yīng)變速率及降低生產(chǎn)成本等方面。隨著資源集約化進(jìn)程的發(fā)展，廢雜銅材能否用于制備高品質(zhì)電工銅桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廢雜銅材的重復(fù)利用,大幅降低電纜成本，已成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[12]。

為此，作者以采用拉法格火法精煉高導(dǎo)電(Fire Refined High Conductivity,FRHC)廢雜銅精煉工藝和連鑄連軋工藝制備的直徑8 mm再生電工銅桿為研究對(duì)象，研究了扭轉(zhuǎn)變形和退火處理對(duì)其顯微組織、力學(xué)性能與導(dǎo)電性能的影響，期望提供一種在保持再生銅桿一定導(dǎo)電率的情況下提高其塑性的方法，這對(duì)于制備高性能再生銅桿具有一定的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為某廠提供的再生連鑄連軋銅桿，直徑8 mm，化學(xué)成分如表1所示。該銅桿原料為廢雜回收銅，應(yīng)用拉法格法廢雜銅精煉工藝在FR150型傾動(dòng)爐中精煉除雜冶煉后，使用CCR20型連鑄連軋?jiān)O(shè)備生產(chǎn)出成低氧光亮銅桿。

表1 再生銅桿的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of recycled copper rod %

圖1 再生銅桿扭轉(zhuǎn)變形示意圖Fig.1 Diagram of torsional deformation of the recycled copper rod

如圖1所示，將再生銅桿在中奧EZ3型金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形處理，扭轉(zhuǎn)變形區(qū)長(zhǎng)度50 mm，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速15 r·min-1，扭轉(zhuǎn)角度720°。將扭轉(zhuǎn)變形區(qū)切成若干個(gè)10 mm長(zhǎng)的試樣，其中一部分試樣在上海西格瑪SGM-M10/10型熱處理爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度500 ℃，退火時(shí)間60 min。切取金相試樣用環(huán)氧樹脂鑲嵌，經(jīng)400#，1200#，2000#金剛石砂紙打磨，1 μm金剛石拋光劑懸濁液拋光后，使用由100 mL水、5 mL HCl和5 g FeCl3配制的腐蝕劑腐蝕，腐蝕時(shí)間10 s。采用尼康LV150NA型光學(xué)顯微鏡(OM)、蔡司EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的顯微組織與微觀形貌。采用日本理學(xué)Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)分析試樣的物相組成和扭轉(zhuǎn)(塑性)變形處理前后再生銅桿的晶面數(shù)據(jù)，掃描速率為5(°)·min-1。使用廈門天研TX-300A型電導(dǎo)率測(cè)試儀在25 ℃下測(cè)試導(dǎo)電率，按照GB/T 3048.2-2007進(jìn)行取樣和測(cè)試，結(jié)果取5次測(cè)試的平均值。使用華銀HV-1000型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷2 N，保載時(shí)間為10 s，每隔300 μm取點(diǎn)測(cè)試，截面硬度測(cè)試位置靠近外表面，沿切向測(cè)試，取點(diǎn)間距為500 μm測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。在三思CMT5504型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按照GB/T 228.1-2021從不同處理態(tài)的銅桿中切取并制備拉伸試樣(采用R7試樣，變形區(qū)直徑5 mm)，伸長(zhǎng)率通過(guò)測(cè)算位移計(jì)算得到。采用掃描電子顯微鏡觀察試樣拉伸斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 XRD譜

由圖2可知：未處理銅桿側(cè)面的Cu(111)衍射峰相比于純銅的標(biāo)準(zhǔn)譜線右移0.858°，根據(jù)布拉格公式可知晶面間距減小。這與再生銅桿的軋制處理工藝相吻合；經(jīng)扭轉(zhuǎn)變形處理后，銅桿側(cè)面Cu(111)衍射峰相比于純銅譜線左移0.661°，說(shuō)明晶粒沿剪切方向拉伸，晶面間距增大，晶粒被拉長(zhǎng)，且衍射峰變寬，表明晶格發(fā)生畸變或晶粒細(xì)化；經(jīng)扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后，再生銅桿晶粒發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，峰位重新對(duì)正，且峰形尖銳，峰值大幅升高，可知結(jié)晶良好。

圖2 不同工藝處理前后再生銅桿不同位置的XRD譜Fig.2 XRD patterns at different positions of recycled copper rod before and after treatment by different processes:(a) side face and (b) cross-section

不同工藝處理前后銅桿截面的Cu(111)衍射峰位置與標(biāo)準(zhǔn)譜線幾乎一致，僅扭轉(zhuǎn)變形后衍射峰略微右移，表明扭轉(zhuǎn)變形與扭轉(zhuǎn)變形+退火處理對(duì)截面晶粒的影響較小。扭轉(zhuǎn)變形處理主要改變?cè)偕~桿側(cè)面(即剪切方向)的晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。

2.2 顯微組織

由圖3可見(jiàn)：未處理再生銅桿截面和側(cè)面的晶粒形狀大多為棱角分明的多邊形，平均晶粒尺寸約為20 μm，晶粒尺寸不均勻；多邊形晶粒內(nèi)有少量尺寸較小的矩形組織，表明未處理銅桿中存在退火孿晶，這主要是由連鑄連軋加工引起的。在連鑄工序中，銅液與結(jié)晶輪接觸后急劇冷卻凝固，凝固后的坯體隨即在連軋工序中軋制拔長(zhǎng)[13]。粗大鑄造組織在軋制過(guò)程中破碎；另外，銅桿與軋輪接觸時(shí)，銅桿溫度迅速降低，晶界遷移速率急劇降低，從而形成退火孿晶；并且在銅桿彎曲變形后，形成少量的變形孿晶.孿晶晶界將粗大的晶粒分割、細(xì)化[14]。但此時(shí)銅桿沒(méi)有足夠的余溫和時(shí)間使晶粒等軸化[15]，因此，連鑄連軋后再生銅桿的顯微組織主要由棱角分明的多邊形晶粒組成。

圖3 不同工藝處理前后再生銅桿截面和側(cè)面的顯微組織Fig.3 Microstructures on cross section (a,c,e) and side face (b,d,f) of recycled copper rod by different treatments: (a-b) non-treatment;(c-d) torsional deformation and (e-f) torsional deformation and annealing

與軋制等拉/壓變形不同的是，扭轉(zhuǎn)變形主要是剪切變形。經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)變形處理的再生銅桿晶粒沿剪切方向拉長(zhǎng)，側(cè)面為典型拉長(zhǎng)的變形組織，但其截面顯微組織并未發(fā)生明顯變化，晶粒依舊為多邊形。扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致位錯(cuò)大量增殖與富集，使晶界形成較大角度的重組，晶粒細(xì)化，出現(xiàn)了更多的晶界和亞晶界；在退火處理過(guò)程中，再生銅桿組織中的變形能逐步釋放，促進(jìn)在晶界或亞晶界處發(fā)生再結(jié)晶，形成再結(jié)晶晶粒，并逐步等軸化形成均勻的等軸晶粒[16]。而扭轉(zhuǎn)變形階段產(chǎn)生的細(xì)小孿晶在退火過(guò)程中略微長(zhǎng)大；退火處理促進(jìn)晶粒應(yīng)力釋放，消除殘余應(yīng)力，再生銅桿的顯微組織中晶粒的均勻性得到整體提高。因此，退火處理后再生銅桿的顯微組織主要為等軸晶和孿晶。

由圖4可見(jiàn)，在連鑄連軋等大變形階段，孿晶晶界將銅桿原有的大尺寸晶粒分割細(xì)化，形成了棱角分明的孿晶晶粒。大的孿晶晶粒在扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，進(jìn)一步孿生形成二次孿晶。這表明連鑄連軋階段，銅桿晶粒的細(xì)化主要由孿晶主導(dǎo)。扭轉(zhuǎn)變形處理后，晶粒發(fā)生畸變，產(chǎn)生大量位錯(cuò)和少量二次孿晶。再生銅桿所受的剪切變形主要是靠位錯(cuò)的交滑移來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些位錯(cuò)形成了復(fù)雜的胞狀結(jié)構(gòu)[7]，且扭轉(zhuǎn)變形階段孿晶中產(chǎn)生的二次孿晶、晶界交叉及孿晶與位錯(cuò)等的交互作用最終導(dǎo)致尺寸更小晶粒的形成。扭轉(zhuǎn)變形階段晶粒主要通過(guò)位錯(cuò)胞的增加而得到細(xì)化[17]。

圖4 扭轉(zhuǎn)變形前后再生銅桿的孿晶形貌Fig.4 Twin morphology of recycled copper rod before (a) and after (b) torsional deformation

由圖5可知，扭轉(zhuǎn)變形的高應(yīng)變破碎了大晶粒，退火處理時(shí)的再結(jié)晶能夠顯著提高再生銅桿晶粒的均勻性。扭轉(zhuǎn)變形+退火處理工藝能夠顯著降低再生銅桿晶粒大小，平均粒徑為10 μm左右。

圖6 不同工藝處理前后再生銅桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of recycled copper rod before and after different treatments

2.3 力學(xué)性能

由圖6可知，經(jīng)扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿的抗拉強(qiáng)度與未處理銅桿相差不大，但斷后伸長(zhǎng)率大幅提高，從40%提升至55%，提升幅度約為40%，表明扭轉(zhuǎn)變形+退火處理能夠提高再生銅桿的塑性。塑性的提升與組織調(diào)控密不可分，扭轉(zhuǎn)變形處理時(shí)剪切變形應(yīng)變速率大，能夠使組織產(chǎn)生大量細(xì)小的變形孿晶；在退火處理后，這些孿晶依舊保留并略微長(zhǎng)大。孿晶界能量較低，在拉伸變形時(shí)位錯(cuò)可在孿晶界上滑移，從而顯著提高再生銅桿的塑性[18]。另外，變形能的釋放促進(jìn)部分變形組織發(fā)生再結(jié)晶，并形成等軸晶，晶粒尺寸的均勻性得到提升。

扭轉(zhuǎn)變形處理后的銅桿由于位錯(cuò)累積，表現(xiàn)出明顯的加工硬化效應(yīng)，抗拉強(qiáng)度提高至273 MPa，但塑性大幅降低，斷后伸長(zhǎng)率只有21%，約為未處理再生銅桿的50%。另外，扭轉(zhuǎn)變形時(shí)再生銅桿在外表面處的應(yīng)變及應(yīng)變速率顯然高于圓心位置，其截面沿直徑方向的顯微硬度呈“峰型”分布，如圖7所示，高應(yīng)變速率區(qū)域的顯微硬度明顯高于低應(yīng)變速率區(qū)域，這主要是由晶粒細(xì)化與加工硬化共同作用造成的。一方面，越靠銅桿外表面，扭轉(zhuǎn)變形速率越大，材料的塑性變形越強(qiáng)烈，加工硬化效應(yīng)越明顯；另一方面，高應(yīng)變使再生銅桿形成孿晶，與位錯(cuò)交織形成細(xì)晶、超細(xì)晶組織，根據(jù)霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒尺寸越小，再生銅桿的硬度越高。

圖7 扭轉(zhuǎn)變形后再生銅桿截面沿直徑方向的顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in diameter direction on cross-section of torsional deformed recycled copper rod

試驗(yàn)測(cè)得未處理、扭轉(zhuǎn)變形、扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿的側(cè)面顯微硬度分別為78.4,110.8,63.9 HV;截面(靠近外表面)顯微硬度分別為78.4,101.7,63.6 HV。扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后的再生銅桿出現(xiàn)退火軟化現(xiàn)象，軟化機(jī)制以再結(jié)晶為主導(dǎo)[19]。另外，未處理及扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿的截面和側(cè)面顯微硬度基本一致；但扭轉(zhuǎn)變形后側(cè)面硬度比截面高約8%。扭轉(zhuǎn)變形使再生銅桿的晶粒沿剪切方向發(fā)生畸變，形成纖維狀的扭轉(zhuǎn)變形組織，而截面方向基本保持不變。因此，位錯(cuò)交織、變形孿晶等主要產(chǎn)生于剪切面，使得再生銅桿的側(cè)面位置硬度高于截面。

2.4 拉伸斷口形貌

由圖8可知，未處理、扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后的再生銅桿拉伸斷口存在大量韌窩，表明再生銅桿在斷裂前積累了大量應(yīng)變，且發(fā)生了韌性斷裂。不同尺寸的韌窩是由顯微組織的不均勻性引起的，較深的韌窩為斷裂核心點(diǎn)；隨著拉伸變形增大，微韌窩孔彼此相遇，局部韌窩聚集達(dá)到韌性斷裂條件，最終導(dǎo)致材料斷裂[15]。與未處理再生銅桿相比，扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿拉伸斷口內(nèi)的大韌窩較少，且韌窩尺寸更均勻，表明顯微組織均勻性和塑性變形能力更好。

扭轉(zhuǎn)變形處理后的再生銅桿拉伸斷口出現(xiàn)了韌窩與河流花樣的混合斷裂形貌。這是由于再生銅桿受剪切作用的影響，晶粒沿剪切方向畸變并在晶界位置出現(xiàn)應(yīng)力集中；在拉應(yīng)力作用下，剪切畸變的晶粒發(fā)生輕微回復(fù)，并優(yōu)先在晶界位置出現(xiàn)沿晶解理斷裂的微裂紋。另外，再生銅桿組織中晶粒變形的不均勻，使部分晶粒受力大幅增加進(jìn)而發(fā)生韌性斷裂，這是出現(xiàn)微韌窩的主要原因。在穿晶韌性斷裂與沿晶解理斷裂的共同作用下，斷口出現(xiàn)晶內(nèi)韌性斷裂的韌窩與解理斷裂河流花樣的混合形貌。

圖8 不同工藝處理前后再生銅桿的拉伸斷口SEM形貌Fig.8 Tensile fracture SEM morphology of recycled copper rod before (a) and after (b-d) different treatments: (b) torsional deformation and annealing; (c) torsional deformation, microdimple and (d) torsional deformation, microcrack

2.5 導(dǎo)電性能

金屬材料導(dǎo)電過(guò)程的本質(zhì)是金屬內(nèi)部自由電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其導(dǎo)電性能由金屬原子點(diǎn)陣對(duì)自由電子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用決定。未處理、扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿的導(dǎo)電率測(cè)試結(jié)果如表2所示。顯然，扭轉(zhuǎn)變形后再生銅桿組織中的晶?；儑?yán)重，晶粒內(nèi)的晶界、亞晶界數(shù)量增多，位錯(cuò)密度升高，對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用。因此，扭轉(zhuǎn)變形再生銅桿的導(dǎo)電率相比于未處理銅桿下降了12.67%，扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿的導(dǎo)電率則與未處理導(dǎo)電銅桿相近。

根據(jù)馬西森定則(Matthiessen′s rule)，金屬的電阻率與溫度以及組織中雜質(zhì)、空位、位錯(cuò)和晶界等缺陷有關(guān)。

表2 不同工藝處理前后再生銅桿的導(dǎo)電性能

退火處理后，再生銅桿變形晶粒發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，晶體內(nèi)的空位和位錯(cuò)等缺陷大幅下降，對(duì)降低電阻率有一定作用；但由于晶粒顯著細(xì)化，晶界的增加成為阻礙電子遷移運(yùn)動(dòng)的主要因素，因而其導(dǎo)電率相比未處理銅桿略微降低。上述結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)變形+退火處理可在基本不影響再生銅桿導(dǎo)電率的基礎(chǔ)上，改善組織中晶粒的均勻性，并大幅度提高斷后伸長(zhǎng)率，使再生銅桿的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能達(dá)到較高的水平。

3 結(jié) 論

(1) 再生銅桿在連鑄連軋時(shí)晶粒細(xì)化主要由孿晶主導(dǎo)，顯微組織主要為含有孿晶的多邊形晶粒；經(jīng)扭轉(zhuǎn)變形后，晶粒沿切向拉長(zhǎng)，孿晶晶粒進(jìn)一步發(fā)生二次孿晶和晶界交叉，孿晶與位錯(cuò)等的交互作用最終促使形成尺寸更小的晶粒；經(jīng)退火處理后再生銅桿變形所存儲(chǔ)的變形能得到釋放，促使形成尺寸更為均勻的等軸晶組織。

(2) 扭轉(zhuǎn)變形處理使得再生銅桿的強(qiáng)度大幅提升，斷裂方式由未處理的韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性與沿晶解理混合斷裂；銅桿由圓心向外表面的顯微硬度呈現(xiàn)出逐步升高的規(guī)律，且扭轉(zhuǎn)剪切面(側(cè)面位置)的硬度略微高于截面。

(3) 扭轉(zhuǎn)變形+退火處理后再生銅桿的導(dǎo)電率與未處理銅桿相比略微降低，由99.37%IACS下降至98.21%IACS，僅下降了1.17%；但斷后伸長(zhǎng)率從40%提升至55%，提升約40%，表明扭轉(zhuǎn)變形+退火處理能夠在不影響導(dǎo)電率的基礎(chǔ)上改善塑性，能夠作為制備高性能再生電工銅桿的中間處理工藝。