Φ5mm TP2內螺紋銅管成品退火工藝研究

余 琪，曾延琦，吳 禮

（1.江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2. 江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

TP2內螺紋銅管是空調冷凝器和蒸發器的主要換熱元件。隨著空調制冷行業對節材、節能要求不斷苛刻，更細徑化、更薄壁化和更高效化的Ф5mm TP2內螺紋銅管在空調制冷行業中使用率呈逐年增大趨勢［1-5］。由于Ф5mm TP2內螺紋銅管外徑小、底壁薄，它在空調廠家加工過程中容易產生缺陷，對生產效率和產品質量非常不利，如彎U形管過程中，在銅管加工率較大處，易出現微裂紋，脹管擴口過程中銅管端口易出現收縮不均和裂紋［6-8］。這些缺陷的出現原因，一方面與空調廠家加工成形設備狀態、操作等有關，另一方面與管材齒形參數一致性差，組織狀態、延伸率和抗拉強度匹配不佳相關［9-10］。

本文以Ф5mm TP2內螺紋銅管成品退火工藝為研究對象，通過金相組織觀察分析和力學性能測試等手段，研究成品退火工藝對Ф5mm TP2內螺紋銅管晶粒組織、力學性能的影響規律，探索Ф5mm TP2內螺紋銅管金相組織均勻、延伸率和抗拉強度匹配較佳所對應的成品退火工藝。

2 材料與方法

實驗用硬態Φ5mmTP2內螺紋銅管取自LC精密銅管有限公司內螺紋銅管成型-精整工序，且樣品來自同一鑄坯，以保證實驗結果的可比較性和準確性。采用基恩士VHX-1000C 3D金相顯微鏡觀察分析樣品的金相組織，采用美特斯Exceed Model E45萬能試驗機測試樣品的延伸率和抗拉強度，采用意大利AFFRI DM2 D硬度計測試樣品的維氏硬度。

3 結果與討論

3.1 退火工藝與銅管晶粒組織

分析了退火溫度為分別為470、480、490、500、510和520℃，保溫時間分別為31、33、35、37、39和41min退火工藝下銅管晶粒組織的變化規律。對每一個工藝條件下的晶粒大小進行了觀測和分析，每個工藝條件下觀測了80個晶粒的尺寸，總共測了2880組數據。其統計結果如圖1所示。

圖1 退火工藝對銅管組織晶粒尺寸的影響

由圖可知，在470～510℃范圍內六條曲線的變化趨勢大體一致，基本隨著時間的延長，晶粒尺寸逐漸增大。總體上來說，470℃所對應的組織較為細小、均勻，晶粒尺寸變化幅度比較小，晶體組織較為穩定；480℃、490℃和500℃的晶粒尺寸波動較大；510℃和520℃的晶粒相對較大，但是也比較穩定。由此可知，在中間溫度退火，銅管的晶粒度波動較低溫和高溫時大，這可能是由于在再結晶過程中，位錯附近原子的運動在此溫度下穩定性較差［11-12］。在溫度較高的條件下，原子容易被同時激發而產生運動，而在低溫條件下，由于受到原子運動速度的限制，晶粒沒有充分長大，故在此兩種條件下銅管組織的晶粒較為均勻。

3.2 退火工藝與銅管力學性能

根據前述實驗結果及分析可知，在高溫條件下（如退火溫度520℃）和長時間保溫條件下（如保溫41min）退火，銅管容易產生較粗大而不均勻的組織，不利于銅管獲得較好的力學性能，而且退火成本也相對較高。因此，選取退火溫度分別為470、480、490、500和510℃和時間分別為31、33、35、37和39min銅管樣品進行了力學性能測試，分析退火工藝對銅管力學性能的影響，為尋求最佳退火工藝提供參考。

金屬材料的延伸率能反映材料塑性的好壞，延伸率越高，材料的加工性能越好，故一般情況下希望金屬材料的延伸率越高越好。圖2是退火工藝對銅管延伸率的影響。由圖可知，隨著退火溫度的升高，銅管的延伸率呈現下降趨勢，其中在470℃，延伸率較高，而且比較穩定。在480℃和490℃延伸率波動相對較大，在500℃和510℃相對穩定，其原因與再結晶組織狀態有關。

圖2 退火工藝對延伸率的影響

圖3是退火工藝對銅管抗拉強度的影響。由圖可知，在480℃和490℃保溫31～39min時，銅管的抗拉強度波動較大，其他溫度退火銅管的抗拉強度值相對較為穩定。其變化原因也與退火組織相關。綜上可知，退火溫度選擇470℃，有利于銅管獲得較細小、均勻的組織，同時獲得較高塑性和較高強度。

圖3 退火工藝對抗拉強度的影響

3.3 470℃/Xmin退火銅管組織和力學性能變化規律

（1）470℃/Xmin退火銅管組織變化規律。

為了進一步分析退火銅管組織演變規律，采用退火溫度為470℃進行退火實驗，時間為3～30min，對應的金相組織如圖4所示，可以看出，隨著時間的延長，銅管逐漸發生再結晶。在3min～18min內銅管發生了部分再結晶，在21min再結晶基本完成。在此過程中，再結晶的晶粒也逐漸發生長大，其長大規律如圖5所示，由圖可知，在3～18min范圍內，晶粒長大的趨勢較明顯，當時間在18～30min時，晶粒長大趨勢有所平緩。采用三次多項式擬合數據點獲得晶粒隨退火時間長大規律為d＝0.0008t3-0.062t2+1.7t-1.3。

圖4 470℃退火溫度下金相組織

圖5 再結晶晶粒長大規律

（2）470℃/Xmin退火銅管硬度變化規律。

進一步分析了在470℃條件下，保溫3～30min，銅管硬度變化規律，如圖6所示，由圖可知，保溫時間為3～18min范圍內，硬度急劇下降，而在保溫時間為18～30min之間，隨著保溫時間的延長，硬度值變化較平緩，維氏硬度值維持為HV85左右。

由以上內螺紋銅管退火實驗結果分析，在低溫如470℃和短時間如30min條件下Φ5mm TP2內螺紋銅管易獲得晶粒細小、均勻的組織，晶粒大小為16～18μm，銅管可呈現高強度和高塑性特性，抗拉強度205MPa，延伸率46%。考慮到Φ5mm TP2內螺紋銅管在脹管擴口時折管主要是其強度、硬度偏低的原因，以及出現微裂紋部分原因是其組織不均勻、晶粒大小不一造成的，建議Φ5mm TP2內螺紋銅管最佳成品退火工藝為保溫溫度470℃，保溫時間 28～33min。

圖6 470℃條件下硬度隨時間變化曲線

4 結論

（1）Φ5mm TP2內螺紋銅管退火溫度470～480℃時，銅管組織細小、均勻，可同時獲得較的高塑性和較高的強度；490～500℃時，銅管晶粒尺寸、力學性能波動大；510～520℃時，組織易粗大，難以獲得較好的綜合力學性能。

（2）Φ5mm TP2內 螺 紋 銅 管 在470℃ 退火，晶粒尺寸隨退火時間的規律為d=0.0008t3-0.062t2+1.7t-1.3，保溫21min時，銅管再結晶基本完成，保溫時間為28～31min時，銅管組織狀態和綜合力學性能最佳。