退火工藝對Cu-2Ag-0.075Y合金線坯組織和性能的影響

曾延琦， 余輝輝， 李 潔， 鄒 晉， 姜 江， 劉 琦， 胡曉娜

(1. 江西省科學院 應用物理研究所， 江西 南昌 330096；2. 江西省銅鎢新材料重點實驗室， 江西 南昌 330096；3. 江西省化學工業(yè)學校， 江西 南昌 330096)

Cu-Ag合金是一種典型的高強高導銅合金，同時它還具有優(yōu)良的抗彎折、抗扭轉(zhuǎn)、抗疲勞和耐高溫等特性。因此，Cu-Ag合金常被加工成超微細絲線材，廣泛用于制作極細同軸電纜、耐熱電線電纜、醫(yī)療器械有源線束、高端音視頻傳輸電線電纜、小型震動線圈、小型馬達和新能源汽車線束等。Cu-2Ag合金超微細絲就是其中一類常用的Cu-Ag合金超細絲線材[1-3]。隨著以筆記本電腦、移動通訊、終端信號傳輸及無人機等為代表的產(chǎn)品向高集成化、微型化和輕量化方向快速發(fā)展，市場上對Cu-2Ag合金超微細絲線材的需求量日益增大，而且要求其線徑更細。由此導致，超微細絲線材加工企業(yè)對Cu-2Ag合金線坯組織和性能的要求越來越苛刻。

稀土元素具有較高的化學活性，在鋼鐵、有色金屬等材料熔煉時，采用稀土微合金化，可以起到凈化熔體，細化和均勻化組織，減少鑄坯夾雜物和微孔洞等多重作用[4-5]。因此，采用稀土微合金化，以改善Cu-2Ag合金線坯組織和性能，提高其微細拉拔性能，值得關注和研究。目前，大多數(shù)研究集中在輕稀土元素，如鑭、鈰等微合金化對Cu-2Ag合金成分潔凈化、微觀組織和常規(guī)力學性能的影響，而研究重稀土元素或輕重稀土混合微合金化Cu-2Ag合金則相對較少。為此，本研究制備了Cu-2Ag-0.075Y合金線坯，初步探討了退火工藝對Cu-2Ag-0.075Y合金線坯組織和性能的影響規(guī)律，以期為開發(fā)滿足超微細拉拔的國產(chǎn)高品質(zhì)、高性能Cu-2Ag合金線坯提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料是直徑為φ2.6 mm的Cu-2Ag-0.075Y合金線坯，具體制備方法為先用真空中頻感應爐熔鑄獲得直徑為φ40 mm的Cu-2Ag-0.075Y合金鑄錠，然后對鑄錠進行850 ℃×6 h均勻化處理，隨后把鑄錠表面氧化皮去除后在750 ℃下熱鍛成直徑為φ20 mm棒材，再對棒材進行800 ℃×1 h固溶處理，最后把棒材表面氧化皮酸洗干凈再進行多道次拉拔，最終將棒材拉拔成直徑為φ2.6 mm的線坯。Cu-2Ag-0.075Y合金線坯退火工藝試驗參數(shù)：溫度分別為350、450、550和650 ℃，時間分別為15、30、60和120 min。采用蔡司AX10型光學顯微鏡對樣品進行顯微組織觀察。采用美特斯CMT5205型電子萬能試驗機測量樣品的抗拉強度。采用ZY9987數(shù)字式微歐計，在環(huán)境溫度25 ℃下測量電阻值，然后換算成國際退火銅標準導電率。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學和導電性能

圖1為在不同退火溫度下Cu-2Ag-0.075Y合金線坯的抗拉強度、伸長率和導電率隨保溫時間的變化曲線。可以看出，在退火早期階段，線坯的抗拉強度隨著保溫時間的延長迅速下降，而且退火溫度越高，抗拉強度下降速率越大。僅經(jīng)過30 min左右，線坯的抗拉強度就從510 MPa降至300～435 MPa。當保溫時間從30 min延長至60 min，線坯抗拉強度的下降速率明顯放緩。隨著保溫時間進一步延長至120 min，僅650 ℃退火的試樣的抗拉強度略微上升，而其余溫度退火的試樣抗拉強度均略微下降，總體而言，在退火后期線坯的抗拉強度變化不大，趨于穩(wěn)定。線坯的伸長率隨退火保溫時間延長，總體上呈先迅速提升，隨后提升速率放緩，最后趨于平穩(wěn)的趨勢。在退火早期，退火溫度越高，伸長率提升速率越大，但是到退火中后期，550 ℃退火保溫60 min的試樣獲得了最大的伸長率，約為52%，而650 ℃退火試樣的伸長率不僅低于550 ℃退火試樣，而且隨著保溫時間的進一步延長，伸長率發(fā)生了輕微的下降。線坯的電導率隨退火保溫時間的變化規(guī)律與上述伸長率的變化規(guī)律基本一致，同樣是在550 ℃退火保溫60 min的試樣獲得了最高的導電率，約為92.7%，而650 ℃退火保溫60 min試樣的導電率不僅低于550 ℃退火保溫60 min的試樣，而且隨著保溫時間的進一步延長，導電率也發(fā)生了輕微的下降。

圖1 Cu-2Ag-0.075Y合金線坯經(jīng)不同工藝退火后的力學和導電性能(a)抗拉強度；(b)伸長率；(c)導電率Fig.1 Mechanical and electrical properties of the Cu-2Ag-0.075Y alloy wire bar annealed with different processes(a) tensile strength; (b) elongation; (c) conductivity

拉拔加工態(tài)的Cu-2Ag-0.075Y合金線坯的退火過程包含兩個方面：一是銅基體的回復、再結(jié)晶和晶粒長大；二是富銀相的回溶[6]。在退火早期階段，主要是銅基體發(fā)生回復和部分再結(jié)晶，基本消除了加工硬化，基體中的空位、位錯和層錯等晶體缺陷大幅減少，造成抗拉強度顯著下降，伸長率和導電率顯著提升。在退火中期階段，剩余部分再結(jié)晶完成、再結(jié)晶晶粒開始長大以及少部分尺寸較小的富銀相回溶。但是，少部分尺寸較小的富銀相回溶帶來的固溶強化效果抵消部分再結(jié)晶對線坯性能的影響效果，使得材料的抗拉強度下降速度放緩、伸長率和導電率提升速率也放緩[6]。在退火后期階段，大部分富銀相回溶基本完成，晶粒長大速率逐漸放緩，晶粒尺寸幾乎無變化，此時，使得線坯抗拉強度、伸長率和導電率均趨于穩(wěn)定。根據(jù)Cu-Ag二元合金相圖[7]可知，退火溫度大于600 ℃時，富銀相可較充分地回溶到銅基體中，在退火后期，其對線坯性能的影響略大于再結(jié)晶晶粒長大的影響，導致650 ℃退火保溫120 min的試樣的抗拉強度略微上升，接近550 ℃退火保溫120 min試樣的抗拉強度，而伸長率和導電率則略有下降，略小于550 ℃退火保溫120 min的試樣的伸長率和導電率。

2.2 顯微組織

圖2為Cu-2Ag-0.075Y合金線坯在350、450、550和650 ℃退火溫度下保溫60 min后的顯微組織。由圖2可以看出，350 ℃退火試樣發(fā)生部分再結(jié)晶，450 ℃和550 ℃退火試樣再結(jié)晶基本完成，形成了等軸晶，晶粒尺寸為9～10 μm，而650 ℃退火試樣發(fā)生完全再結(jié)晶，且晶粒發(fā)生了明顯長大，晶粒尺寸約為13 μm。隨著退火溫度的提高，線坯組織發(fā)生再結(jié)晶程度加大。

圖3為Cu-2Ag-0.075Y合金線坯在550 ℃退火溫度下保溫15、30、60和120 min后的顯微組織。由圖3可以看出，退火保溫15 min和30 min的試樣發(fā)生部分再結(jié)晶，退火保溫60 min的試樣基本完成再結(jié)晶，形成了等軸晶，晶粒尺寸約為10 μm，而退火保溫120 min的試樣發(fā)生完全再結(jié)晶，且晶粒發(fā)生了不同程度的長大，晶粒尺寸約為14 μm。隨著退火保溫時間的延長，線坯組織發(fā)生再結(jié)晶程度加大。因此，可以初步得出，線坯450～550 ℃下退火保溫60 min可以獲得晶粒較細小、均勻的等軸晶組織，再結(jié)合前文力學和導電性能結(jié)果分析，線坯在550 ℃退火保溫60 min時獲得最高的伸長率和導電率。因此，可以得出拉拔加工態(tài)的Cu-2Ag-0.075Y合金線坯采用550 ℃×60 min退火工藝可獲得較理想組織和性能狀態(tài)，有利于后續(xù)超微細絲拉拔加工[8]。

圖3 Cu-2Ag-0.075Y合金線坯在550 ℃下保溫不同時間的顯微組織Fig.3 Microstructure of the Cu-2Ag-0.075Y alloy wire bar held at 550 ℃ for different time(a) 15 min； (b) 30 min； (c) 60 min； (d) 120 min

3 結(jié)論

1) Cu-2Ag-0.075Y合金線坯抗拉強度隨著退火時間的延長先顯著下降至300～435 MPa，隨后下降速率明顯放緩，最終趨于平穩(wěn)，退火溫度越高，抗拉強度越低。而伸長率和導電率的變化規(guī)律則與抗拉強度相反，先是迅速提升，隨后提升速率放緩，最后趨于平穩(wěn)，550 ℃退火試樣可獲得較高伸長率和導電率。

2) 隨著退火溫度的提高和退火保溫時間的延長，都可以使Cu-2Ag-0.075Y合金線坯組織再結(jié)晶程度加大。采用550 ℃×60 min退火工藝，Cu-2Ag-0.075Y合金線坯可以獲得細小、均勻的等軸晶組織，良好的伸長率和導電率匹配，有利于其進行后續(xù)超微細絲拉拔加工。