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銅和加工銅合金的熱處理

admin 2017-05-25 5356次

　　(一)銅和加工銅合金的退火

　　1.再結晶退火

　　加工硬化可以提高銅和銅合金的強度和硬度，但也降低了材料的塑性和韌性。冷加工(冷軋、冷沖或冷拔)后的型材(線材、棒材、板材)再作進一步冷變形時將成為困難。所以，材料冷軋或冷拔的過程中，一道與一道之間須進行再結晶退火，恢復其塑性，以便于冷加工，此類再結晶退火為中間(再結晶)退火。

　　為了改善材料的組織，且使材料均勻化，以滿足使用條件的要求，成品最終要進行一次再結晶退火，即為最終再結晶退火。

　　通常中間退火時，采取快速升溫，裝爐量大，溫度取上限.從而提高再結晶溫度，細化晶粒，縮短加熱時間，減少氧化，提高生產率；最終退火，緩慢升溫，控制裝爐量，溫度取下限，特別是薄壁零件，以保證產品性能均勻。溫度控制在±5℃之內，退火保溫時黃銅為1.5～3h，錫青銅、鋁青銅、鈹青銅為1～3h。純銅的再結晶退火工藝見表9.2-1，加工銅合金再結晶退火工藝見表9.2-2，對于能熱處理強化的銅合金，中間退火后必須緩冷，其他銅合金冷卻速度對性能影響不大。中間退火的溫度與預先的冷變形程度、金屬的成分、加熱速度、原始晶粒尺寸等有關。加熱溫度且在再結晶溫度以上，溫度太低再結晶不完全，但太高又會使晶粒粗大，使下一道冷加工時，材料表面出現“桔皮”狀，這是十分有害的，尤其在單相材料中。在成形加工量小時，宜采用晶粒細小的坯料，當成形加工量大時，宜采用晶粒粗大的坯料。銅合金再結晶后的力學性能不僅與其成分有關，還與退火溫度及退火前的冷加工量有關，表9.2-3顯示了黃銅帶材的制造過程與力學性能的關系。

　　2.去應力退火

　　其作用是去除鑄件、焊接件及冷成形件的內應力，以防止零件變形與開裂，也能提高抗蝕性(因零件存在拉應力時，在腐蝕介質中，極易產生應力腐蝕)。去應力退火也能提高冷成形黃銅、鋅白銅、磷青銅的彈性和強度。一般合金去應力退火保溫時間為1～3h，鈹青銅為15～20min，去應力退火溫度見表9.2-2。

　　3.一般銅合金彈性材料的強化和熱處理

　　有些銅合金通過冷塑性變形加低溫退火來提高其彈性極限，制作彈性元件。冷塑性變形度愈大，低溫退火后的彈性極限提高愈多。一般銅合金彈性材料獲得最好的彈性極限及其應力松弛的低溫退火規范見表9.2-4。

　　表9.2-1純銅再結晶的退火溫度及保溫時間

產品類型	代號	退火溫度/℃	保溫時間 /min	直徑或厚度 /mm
管材	T2、T3、T4、 TUP、TU1、 TU2	450～520 500～550 530～580 550～600 580～630	40～50 50～60 50～60 50～60 50～70	≤1.0 1.05～1.75 1.8～2.5 2. 6～4.0 >4. 0
棒材	T2、TU1、TUP (軟制品)	550～620	60～67	—
帶材	T2	290～340 340～380 350～410 380～440	—	≤0.09 0.1～0.25 0.3～0.55 0.6～1.2
線材	T2、T3、T4	410～430	—	0.3～0.8

　　表9.2-2加工銅合金去應力退火溫度及再結晶退火工藝

牌號	去應力退火 /℃	下列厚度再結晶退火溫度/℃
牌號	去應力退火 /℃	>5mm	1～5 mm	0.5～1 mm	<0.5mm
H96	200	560～600	540～580	500～540	450～550
H90	200	650～720	620～680	560～620	450～560
H85	160～220	—	—	—	—
H80	260	650～700	580～650	540～600	500～560
H70	260～270	600～650	580～620	540～580	520～550
H68	260～270	580～650	540～600	500～560	440～500
H62	270～300	650～700	600～660	520～600	460～530
H59	200～300	650～700	600～660	520～600	460～530
HSn90-1	200～350	650～720	620～680	560～620	450～560
HSn62-1	350～370	600～650	550～630	520～580	500～550
HSn60-1	350～370	600～650	550～630	520～580	500～550
HPb63-3	200～350	600～650	540～620	520～600	480～540
HPb59-1	285	600～650	580～630	550～600	480～550
HA160-1-1	300～350	—	—	—	—
HA159-3-2	350～400	600～650	550～620	540～580	450～500

HMn58-2	250～350	600～660	580～640	550～600	500～550
HMn57-3-1	200～350	—	—	—	—
HFe59-1-1	200～350	600～650	520～620	450～550	420～480
HNi65-5	300～400	620～680	610～660	590～630	570～610
QSn4-3	200～250	600～650	580～630	500～600	460～500
QSn4-4-2.5	200～250	580～650	550～620	520～680	450～520
QSn4-4-4	200～250	590～610	540～580	510～560	440～490
QSn6.5-0. 1	180～250	600～660	580～620	520～580	470～530
QSn6.5-0.4	200～250	600～660	580～620	520～580	470～530
QSn7-0.2	200～250	620～680	600～650	530～620	500～580
QSn4-0.3	200～250	600～650	570～610	500～560	450～500
QA15	200～250	700～750	650～720	620～680	550～620
QA17	275～300	700～750	650～720	620～680	550～620
QA19-2	275～300	680～740	650～700	600～650	550～620
QA19-4	275～300	680～740	650～700	600～650	550～620

QA110-3-1.5	275～300	650～750	630～700	600～680	550～620
QA110-4-4	275～300	650～750	620～700	600～650	550～610
QA111-6-6	275～300	700～750	650～720	620～670	550～620
QCd1.0	280～320	680～750	570～590	560～580	540～560
QBe2	150～200	—	670～720	650～700	640～680
QBe1.7	150～200	680～750	670～720	670～720	640～680
QBe1.9	150～200	680～750	670～720	670～720	640～680
QSi1-3	280	650～700	600～650	500～600	480～520
QSi3-1	290	650～700	600～650	500～600	480～520
QMn1.5	—	650～700	600～650	500～600	480～520
QMn5	—	650～700	600～650	500～600	480～520
QMg0.8	280～320	600～660	570～590	560～580	540～560
QCr0.5	—	80～620	570～600	530～580	500～550
B19	250	750～780	700～750	620～700	530～620
B25	—	750～780	700～750	620～700	530～620

BZn15-20	250	700～750	680～730	600～700	520～600
BA16-1. 5	—	700～750	700～730	580～700	550～600
BA113-3	—	700～750	700～730	580～700	550～600
BMn40-1. 5	—	800～850	750～800	600～750	550～600
BMn3-12	250～375	700～750	680～730	600～700	520～600

　　表9.2-3黃銅帶材的制造過程與力學性能的關系

性能加工量及退火溫度/℃			抗拉強度 /MPa	延伸率 (%)	晶粒尺寸 /mm	制耳高度 /mm	極限拉伸系數
H70	15% 加工	400	360	57	0.04	0.2	0.45
		550	320	73	0.05	0. 3	0.40
		700	300	76	0.07	0.5	0.45
	75% 加工	400	400	49	0.02	0.5	0.49
		550	330	70	0.04	0.5	0.44
		700	300	65	0.08	1.2	0.45

H65	15% 加工	400	340	62	0.06	1.0	0.45
		550	320	74	0.06	0.3	0.42
		700	280	70	0.08	0.3	0.44
	75% 加工	400	470	53	0.03	0.5	0. 44
		550	320	69	0.04	0. 5	0.45
		700	290	72	0.09	2.0	0. 45
H60	15% 加工	400	400	45	0.03	1. 5	0. 50
		550	370	52	0.03	1.2	0. 46
		700	360	52	0.05	2.0	0.46
	75% 加工	400	450	40	0.02	1.5	0.46
		550	380	52	0.03	1. 2	0.46
		700	380	53	0.04	1.2	0.47

　　注：1.15%加工：0.94mm，退火→15%冷軋→0.8mm，退火。

　　2.75%加工：3.2mm，退火→75%冷軋→0.8mm，退火。

　　3.制耳高度用外徑25mm的坯料深沖成外徑45mm樣品的制耳的峰谷之差表示，在軋制方向成45°角的方向上生出4個耳子峰，d1＝20.6mm。

　　4.冷加工后退火保溫為1h。

　　表9.2-4一般銅合金彈性材料最佳退火規范及性能

合金代號	最佳退火規范 (預冷變形60%)	彈性極限/MPa			硬度 HV	電阻率ρ/ (Ωmm2/m)
合金代號	最佳退火規范 (預冷變形60%)	σ0.002	σ0.005	σ0.01	硬度 HV	電阻率ρ/ (Ωmm2/m)
QSn4-3	150℃，30 min	454	521	581	218	0.080 2
QSn6.5-0.1	150℃，30 min	479	539	584	—	—
QSi3-1	275℃，1h	484	554	619	210	0.262
QA17	275℃，30 min	617	711	774	270	0.115
H68	200℃，1h	443	509	569	190	0.086
H80	200℃，1h	382	466	527	170	0.0567
H85	200℃，30 min	342	397	445	155	0.048 6
BZn15-20	300℃，4 h	537	602	550	230	0.256

　　(二)加工銅合金的強化熱處理

　　1.加工硬化

　　有些銅合金無法通過熱處理進行強化，如黃銅、錫青銅、含鋁量小于9%的鋁青銅、錳青銅、鉻青銅、白銅及錳白銅等，它們只能加工硬化。

　　2.淬火加回火強化銅合金

　　有一類銅合金通過淬火與回火得到強化，原理與鋼的強化相似，其典型合金是含鋁量大于9%的鋁青銅，此合金高溫加熱出現β相，淬火后β相轉變成亞穩組織β′馬氏體，將其加熱回火時會分解成細小的(α+γ2)共析組織，使強度、硬度又有升高，鋁青銅的淬火回火工藝見表9.2-5。

　　3.固溶加時效強化銅合金

　　有一類銅合金通過固溶與時效得到強化，原理與鋁合金的強化相似，其典型合金是鈹青銅。鈹在銅中的最大溶解度為2.7%，隨溫度下降而顯著減少，且又有明顯的沉淀硬化效果，能獲得良好的綜合機械性能，如強度、硬度、塑性、導電性、彈性極限、彈性模量，并減少合金的彈性滯后。時效前也可冷變形，時效后且能獲得更高的強度和硬度。

　　鈹青銅的固溶時效工藝見表9.2-6，對一般棒材、條材和截面厚度較大的零件，加熱保溫時間按每25.4mm/h計算，對于薄件加熱保溫時間見表9.2-7；嚴格控制固溶溫度，既要保證合金元素的溶解，又不能使晶粒急劇長大，鈹青銅固溶處理后晶粒尺寸要求見表9.2-8；固溶加熱后，應立即淬入低于25℃的水中，轉移時間不得超過3～5s。

　　鈹青銅的時效分高溫時效與低溫時效，低溫時效易于控制，并能獲得最大的強度和硬度；但高溫時效能更好地去除內應力，獲得更高的疲勞強度、抗零點飄移和抗松弛能力。不論高、低溫時效，含鈹量較多、經過冷加工的材料時效的溫度和時間均取下限，反之取上限。

　　固溶加熱應在真空爐或保護氣氛爐中，而決不能在鹽浴爐中進行，以免發生晶界腐蝕與脫鈹。

　　鈹青銅型材一般以固溶狀態(軟態)供貨，可直接冷作成形，然后作時效處理。時效過程中隨著強化相的析出，以及應力的釋放，零件將發生變形，因此須將零件固定在夾具中作時效處理。夾具的重量要盡量輕，用力要適當。在零件形狀允許的情況下，夾具可將零件重疊裝夾(圖9.2-1)。時效處理可疊加進行，因此可把時效分成兩次進行，第一次不上夾具，第二次用夾具，且在第一次時效后快速冷卻。

　　硅青銅、鉻青銅、鋯青銅、鋁白銅同樣有固溶強化能力，工藝見表9.2-9。

　　表9.2-5鋁青銅的淬火與回火工藝

合金代號	淬火			回火			硬度 HBW
合金代號	溫度/℃	時間/h	冷卻	溫度/℃	時間/h	冷卻	硬度 HBW
QA19-2	790～810	1～2	水	390～410	1.5～2	空氣	200～ 250
QA19-4	840～860	1～2	水	340～360	1. 5～2	空氣	160～220
QA110-3-1.5	830～840	1～2	水	300～350	1.5～2	空氣	207～289
QA110-4-4	910～930	1～2	水	640～660	1.5～2	空氣	250～300

　　表9.2-6鈹青銅固溶與時效工藝

合金代號	固溶溫度 /℃	時效
合金代號	固溶溫度 /℃	溫度/℃	時間/h
QBe2	780～800	(320～350)±5 (350～380)±3	1～3 0.25～1. 5
QBe1.9	780～800	(315～340)±5 (350～380)±3	1～3 0.25～1.5
QBe1.7	780～790	(300～320)±5 (350～380)±3	1～3 0.25～1.5

　　表9.2-7鈹青銅薄板、帶材及薄件固溶處理的保溫時間

材料厚度/mm	保溫時間/min	材料厚度/mm	保溫時間/min
<0. 11 0.11～0. 25	2～6 3～9	0.25～0.76 0.74～2. 30	6～10 10～30

　　表9.2-8鈹青銅固溶后要求的晶粒尺寸

材料厚度/mm	最大平均晶粒尺寸/mm
0.25～0.75	≤0.035
0.75～2. 29	≤0.043
2.29～4.78	≤0.060

　　表9.2-9硅青銅、鉻青銅、鋯青銅、鋁白銅固溶時效處理工藝

合金代號	固溶						時效
	溫度/℃			時間	冷卻介質		溫度/℃		時間/h
QSi1-3	850～875			1～2 h	水		450～475		2～4
QCr0.5	1 000～1020			20～40min	水		425～470		2～3
QZr0.2		900～920	15～30 min			水		420～450		2～3
								500		1
QZr0.4		920～950	15～35 mm			水		420～460		2～3
BA113-3		900～1000						500～600
BA16-1.5		900						500～550		2

　　(三)銅及加工銅合金加熱保護氣氛

　　銅和加工銅合金的熱處理須在保護氣氛或真空中進行。各種銅與加工銅合金因成分不同，加熱時的保護氣氛的成分也不同。紫銅采用中性或微還原性氣氛，也可在微氧化性氣氛中加熱(表9.2-10中的1、7)，均要限制硫、氧、氫的含量；黃銅采用還原性的氣氛(表9.2-10中的2、3、4、5)；高鋅黃銅(含鋅量大于30%)為了防止脫鋅和變色要限制CO2及H2O的含量；硅青銅、鋁青銅的氣氛必須純凈干燥，采用表中的氣氛2、4、5；鈹青銅淬火時一般采用表中氣氛5；白銅采用表中氣氛1、3、4、5。

　　表9.2-10銅與銅合金熱處理保護氣氛的類型和成分

編號	名稱	類型	主要性質	常用組分(%)
編號	名稱	類型	主要性質	N2	H2	CO	CO2	O2	CHa
1	完全燃燒的碳氫化合物	低放熱性，不純	不可燃，輕微還原性	83～ 89	0.2～ 0.5	0.5～ 1.0	10～ 14	—	0～1
2	同上 (去除 CO2及 H2O)	低放熱性，純	不可燃，中性	95～ 99	0.5 ～3	0. 5 ～3	微	—	0～1
3	同上 (去除 CO2及 H2O)	高放熱性，純	可燃，有毒，還原性	71	12	15	0. 1	—	2
4	完全反應的碳氫化合物	高吸熱性，干	還原性	28 ～40	40～ 46. 5	19 ～25	微	—	0.4 ～ 1
5	分解氨	未燃燒	可燃，還原性	25	75	—	—	—	—
6	氮氣	純	中性	96～ 99	1	—	—	—	—
7	二氧化碳	不純	惰性	—	—	—	99. 8	0. 2	—
8	水蒸氣	不純	中性	—	—	—	—	—	—

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