退火工藝對(duì)薄壁銅管組織和性能的影響

危利民，羅 欣，余 琪

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

銅管由于具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性及加工性能而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑和制冷行業(yè)［1-4］。目前，為提升銅管的換熱效率和生產(chǎn)效益，空調(diào)制冷企業(yè)對(duì)銅管提出了更高的要求，表現(xiàn)為縮小直徑、減小壁厚等［5-9］。銅管彎曲時(shí)易出現(xiàn)暗裂或起皺缺陷［10-13］。銅管在脹管成形和彎曲成形時(shí)所產(chǎn)生的缺陷與銅管本身的微觀組織和力學(xué)性能有關(guān)［14-16］，故很多企業(yè)對(duì)銅管的組織和力學(xué)性能提出了較高的要求。同時(shí)，很多研究者對(duì)銅管的組織和性能進(jìn)行了研究。Han等［17］指出在生產(chǎn)過程中形變后銅管由于退火溫度分布不均勻，容易導(dǎo)致銅管的微觀組織和強(qiáng)度及塑性存在差異。張御天等［18］指出空調(diào)管在退火時(shí)，增長(zhǎng)保溫時(shí)間易導(dǎo)致銅管組織出現(xiàn)混晶微觀形態(tài)，并且晶粒尺寸較小。Pan等［19］通過實(shí)驗(yàn)分析得出提升退火溫度會(huì)導(dǎo)致銅管提前發(fā)生再結(jié)晶并縮減整體退火時(shí)間；延長(zhǎng)晶粒長(zhǎng)大時(shí)間會(huì)導(dǎo)致平均晶粒大小增加；延長(zhǎng)退火時(shí)間時(shí)可使再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)增多，而且晶粒長(zhǎng)大到一定程度后逐漸穩(wěn)定。因此，調(diào)控銅管在生產(chǎn)過程中的退火工藝對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能具有重要意義。為滿足客戶對(duì)銅管的需求，本文擬從退火工藝對(duì)銅管微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)銅管現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

本文研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某銅加工企業(yè)所生產(chǎn)的空調(diào)銅管，材質(zhì)為TP2，規(guī)格為Ф7mm×0.41mm。依據(jù)某企業(yè)銅管生產(chǎn)所制定工藝為退火溫度530℃和保溫時(shí)間35min，本研究所采用的退火工藝為加熱溫度460℃、500℃和540℃，保溫時(shí)間為30min、35min、40min和45min。采用徠卡DM2500金相顯微鏡下觀察試樣微觀組織，侵蝕劑配比為5g氯化鐵、25mL濃鹽酸、100mL水的混合溶液；采用MTS810萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，試樣按照GB/T228-2002進(jìn)行加工，標(biāo)距為50mm，夾頭移動(dòng)速度為0.02 mm/s。采用硬度儀維氏硬度計(jì)HV-5測(cè)試銅管的硬度，壓力為0.5kg，保壓時(shí)間10s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 退火工藝對(duì)銅管微觀組織影響

圖1為盤拉銅管在加熱溫度為460℃時(shí)，保溫時(shí)間分別為30 ～ 45min條件下退火銅管的顯微組織形貌。

圖1 加熱溫度460℃和四種保溫時(shí)間時(shí)銅管的顯微組織

由圖1可見，當(dāng)退火溫度為460℃、保溫時(shí)間為30min時(shí)銅管微觀組織明顯可見具有一定數(shù)量晶粒尺寸較小的等軸晶粒，但是在局部區(qū)域仍可發(fā)現(xiàn)少量纖維組織，如圖1（a）中A所示，這表明銅管在退火溫度為460℃時(shí)形變組織沒有完全發(fā)生再結(jié)晶，部分形變組織發(fā)生了晶粒的形核和長(zhǎng)大；隨著保溫時(shí)間增長(zhǎng)到35min和40min，形變纖維顯微組織不明顯，但是在試樣的少量區(qū)域仍可發(fā)現(xiàn)，如圖1（b）（c）（d）中B、C、D處所示。由上述分析可得，當(dāng)加熱溫度為460℃、保溫時(shí)間從30min延長(zhǎng)至45min時(shí)試樣再結(jié)晶不充分，只是少量形變組織發(fā)生了再結(jié)晶。

圖2為加熱溫度為500℃，保溫時(shí)間為30min、35min、40min和45min條件下盤拉TP2銅管退火試樣的顯微組織圖。

圖2 加熱溫度500℃和四種保溫時(shí)間時(shí)銅管的顯微組織

由圖2可知，在加熱溫度500℃、保溫時(shí)間30 min條件下退火時(shí)銅管試樣沒出現(xiàn)纖維組織，并且經(jīng)過退火后的試樣微觀晶粒形貌呈等軸態(tài)，具有較大的晶粒尺寸差異性，見圖2（a）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是銅管在變形過程中各部位的變形程度存在差異性引起的。在變形較劇烈的區(qū)域更易發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒也易長(zhǎng)大；反之，較小變形區(qū)域的晶粒不易長(zhǎng)大而表現(xiàn)為細(xì)晶粒。當(dāng)保溫時(shí)間增加時(shí)，尺寸較大的晶粒組織長(zhǎng)大速度減慢，尺寸較小的晶粒組織長(zhǎng)大速度增加，從而導(dǎo)致退火晶粒尺寸的差異性有所減弱，見圖2（b）。隨著保溫時(shí)間的增加，晶粒尺寸差異皆不能完全消除，部分區(qū)域晶粒尺寸較更明顯的粗晶組織，見圖2（c）上E處和圖2（d）上F處。由上述可得，退火工藝為加熱溫度500℃、保溫時(shí)間35min時(shí)空調(diào)銅管的微觀晶粒組織相對(duì)較好。

圖3為加熱溫度為540℃，保溫時(shí)間為30min、35min、40min和45min條件下盤拉TP2銅管退火試樣的顯微組織圖。

圖3 加熱溫度540℃和四種保溫時(shí)間時(shí)銅管的顯微組織

由圖3可知，在加熱溫度為540 ℃退火時(shí)，不同保溫時(shí)間的銅管顯微組織所呈現(xiàn)的晶粒尺寸比460℃和500℃所對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸更大，并且在不同保溫時(shí)間內(nèi)都出現(xiàn)了較為粗大晶粒，其晶粒尺寸大約為50μm，如圖3中G、H、I、J所示。

3.2 退火工藝對(duì)空調(diào)銅管力學(xué)性能的影響

圖4所示為當(dāng)退火溫度為460℃時(shí)，薄壁銅管的延伸率隨著保溫時(shí)間的變化規(guī)律曲線。

圖4 不同保溫時(shí)間的延伸率曲線（460℃）

由圖4可知，當(dāng)加熱溫度為460 ℃時(shí)，薄壁銅管的延伸率隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而變化不大，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)存在輕微波動(dòng)。當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí)，延伸率為49%；保溫時(shí)間為35min時(shí)，延伸率為51%；當(dāng)保溫時(shí)間增至40min時(shí)，延伸率稍有降低為50%；保溫時(shí)間45min時(shí)，延伸率增至52%。但是，在保溫時(shí)間為30min時(shí)，延伸率波動(dòng)較大，為12%，這可能與該工藝條件下沒有完全發(fā)生再結(jié)晶，存在部分變形組織有關(guān)，見圖1（a）；在保溫時(shí)間為35min、40min和45min時(shí)，銅管的延伸率波動(dòng)仍較大，試樣微觀結(jié)構(gòu)也存在部分變形組織，見圖 1（b）、（c）、（d）。

圖5所示為空調(diào)銅管在退火溫度為500℃的條件下，銅管的延伸率隨著保溫時(shí)間的變化曲線。

圖5 不同保溫時(shí)間的延伸率曲線（500℃）

由圖5可知，當(dāng)退火溫度為500 ℃時(shí)，薄壁銅管的延伸率隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈緩慢增加狀態(tài)。當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí)，延伸率最小，為48%；保溫時(shí)間為30～35min時(shí)，延伸率相同，均為49%；保溫時(shí)間為45min時(shí)，延伸率最大，為51%。在保溫時(shí)間為30min、40min和45min時(shí)，延伸率波動(dòng)較大，分別為8%，7%，9%，這可能與此保溫時(shí)間條件下再結(jié)晶晶粒差異較大有關(guān)，見圖2（a）、（c）、（d）；當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí)，存在部分形變組織，見圖2（a）；在保溫時(shí)間為35min時(shí)，銅管的延伸率波動(dòng)較小，試樣微觀結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的再結(jié)晶晶粒較均勻細(xì)小，見圖2（b）。

圖6 不同保溫時(shí)間的延伸率曲線（540℃）

圖6所示是空調(diào)銅管在退火溫度為540℃的條件下，銅管的延伸率隨著保溫時(shí)間的變化規(guī)律曲線。

由圖6可知，當(dāng)退火溫度為540℃時(shí)，薄壁銅管的延伸率隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)波動(dòng)較為明顯，整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí)，延伸率為49%；保溫時(shí)間40min時(shí)，延伸率增至51%；保溫時(shí)間為45min時(shí)，延伸率明顯降低，為46%。延伸率波動(dòng)幅度較大，這可能與不同保溫時(shí)間條件下再結(jié)晶晶粒差異較大有關(guān)（見圖3）。

圖7所示為加熱溫度為460℃、500℃和540℃，保溫時(shí)間為30min、35min、40min和45min條件下退火時(shí)薄壁銅管抗拉強(qiáng)度的變化曲線。

圖7 不同加熱溫度和保溫時(shí)間的抗拉強(qiáng)度曲線

由圖7可知，銅管在拉伸試驗(yàn)時(shí)抗拉強(qiáng)度的大小隨著保溫時(shí)間的增長(zhǎng)存在小幅度的波動(dòng)，但從整體來說抗拉強(qiáng)度變化不明顯。460℃和500℃時(shí)退火銅管的抗拉強(qiáng)度約為246MPa，當(dāng)加熱溫度增至540℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所降低。這可能是由于在低溫退火時(shí)會(huì)保持部分變形組織而導(dǎo)致高抗拉強(qiáng)度，而當(dāng)溫度升高時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低，同時(shí)再結(jié)晶溫度過高或者保溫時(shí)間過長(zhǎng)，都將使得銅管組織出現(xiàn)晶粒大小差異性增加，因而在540℃時(shí)退火銅管的抗拉強(qiáng)度降低而且延長(zhǎng)波動(dòng)較明顯。由Hall-Petch公式可知，金屬材料的抗拉強(qiáng)度與晶粒大小有關(guān)。金屬材料平均晶粒尺寸越大，其抗拉強(qiáng)度值越低。因此，提高退火溫度可使得銅管試樣晶粒充分長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致了銅管抗拉強(qiáng)度減小。

圖8所示為空調(diào)銅管在加熱溫度460～540℃和保溫時(shí)間30～45min條件下退火工藝對(duì)其硬度的影響。

圖8 不同加熱溫度和保溫時(shí)間的硬度

由圖8可知，當(dāng)退火加熱溫度為460℃，保溫時(shí)間為30min時(shí)，平均硬度最低，為63HV；保溫時(shí)間為40min時(shí)，平均硬度最高為82HV。由此可知，在460℃條件下，平均硬度波動(dòng)較大。這說明在460℃條件下，銅管局部區(qū)域可能沒有充分發(fā)生再結(jié)晶；當(dāng)溫度為500℃，保溫時(shí)間為30min時(shí)，平均硬度最低，為62HV；保溫時(shí)間為35min時(shí)，平均硬度最高，為69HV；平均硬度波動(dòng)較小；當(dāng)溫度為540℃，保溫時(shí)間為30min時(shí)，硬度值最低，為59HV；保溫時(shí)間為40min時(shí)，硬度值最高，為64HV，平均硬度值波動(dòng)較小。因此，在溫度為500℃和540℃時(shí)，平均硬度波動(dòng)較小。另外，由圖8可知，在溫度500℃，保溫時(shí)間30min、35min和溫度540℃、保溫時(shí)間30min所測(cè)的各點(diǎn)硬度波動(dòng)較小，這說明在此三種工藝條件下銅管退火后硬度較穩(wěn)定。由上述分析可知，在退火溫度為500℃、保溫時(shí)間35min退火的銅管具有較良好的組織和性能。在銅管生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)利用此工藝對(duì)銅管進(jìn)行退火，退火后試樣的晶粒組織細(xì)小均勻，大小約為20μm（圖9），抗拉強(qiáng)度為246MPa，延伸率為50%，維氏硬度為71HV，在組織和性能方面均能滿足客戶要求。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)退火銅管微觀組織

4 結(jié)論

（1）460℃退火時(shí)銅管沒有完全再結(jié)晶，540℃退火時(shí)銅管晶粒組織較粗大；

（2）退火溫度為460℃和540℃時(shí)，延伸率和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)較大，500℃時(shí)則波動(dòng)較小；

（3）500℃、35min退火時(shí)銅管微觀組織細(xì)小均勻，性能優(yōu)良，能滿足空調(diào)客戶要求。