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  • 铜和加工铜合金的热处理
    admin 2017-05-25 2592次

      (一)铜和加工铜合金的退火

      1.再结晶退火

      加工硬化可以提高铜和铜合金的强度和硬度,但也降低了材料的塑性和韧性。冷加工(冷轧、冷冲或冷拔)后的型材(线材、棒材、板材)再作进一步冷变形时将成为困难。所以,材料冷轧或冷拔的过程中,一道与一道之间须进行再结晶退火,恢复其塑性,以便于冷加工,此类再结晶退火为中间(再结晶)退火。

      为了改善材料的组织,且使材料均匀化,以满足使用条件的要求,成品最终要进行一次再结晶退火,即为最终再结晶退火。

      通常中间退火时,采取快速升温,装炉量大,温度取上限.从而提高再结晶温度,细化晶粒,缩短加热时间,减少氧化,提高生产率;最终退火,缓慢升温,控制装炉量,温度取下限,特别是薄壁零件,以保证产品性能均匀。温度控制在±5℃之内,退火保温时黄铜为1.5~3h,锡青铜、铝青铜、铍青铜为1~3h。纯铜的再结晶退火工艺见表9.2-1,加工铜合金再结晶退火工艺见表9.2-2,对于能热处理强化的铜合金,中间退火后必须缓冷,其他铜合金冷却速度对性能影响不大。中间退火的温度与预先的冷变形程度、金属的成分、加热速度、原始晶粒尺寸等有关。加热温度且在再结晶温度以上,温度太低再结晶不完全,但太高又会使晶粒粗大,使下一道冷加工时,材料表面出现“桔皮”状,这是十分有害的,尤其在单相材料中。在成形加工量小时,宜采用晶粒细小的坯料,当成形加工量大时,宜采用晶粒粗大的坯料。铜合金再结晶后的力学性能不仅与其成分有关,还与退火温度及退火前的冷加工量有关,表9.2-3显示了黄铜带材的制造过程与力学性能的关系。

      2.去应力退火

      其作用是去除铸件、焊接件及冷成形件的内应力,以防止零件变形与开裂,也能提高抗蚀性(因零件存在拉应力时,在腐蚀介质中,极易产生应力腐蚀)。去应力退火也能提高冷成形黄铜、锌白铜、磷青铜的弹性和强度。一般合金去应力退火保温时间为1~3h,铍青铜为15~20min,去应力退火温度见表9.2-2。

      3.一般铜合金弹性材料的强化和热处理

      有些铜合金通过冷塑性变形加低温退火来提高其弹性极限,制作弹性元件。冷塑性变形度愈大,低温退火后的弹性极限提高愈多。一般铜合金弹性材料获得最好的弹性极限及其应力松弛的低温退火规范见表9.2-4。

      表9.2-1纯铜再结晶的退火温度及保温时间

    产品
         类型

    代 号

    退火温度/℃

    保温时间
         /min

    直径或厚度
         /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
         (软制品)

    550~620

    60~67

    带材

    T2

    290~340
         340~380
         350~410
         380~440

    ≤0.09
         0.1~0.25
         0.3~0.55
         0.6~1.2

    线材

    T2、T3、T4

    410~430

    0.3~0.8

      表9.2-2加工铜合金去应力退火温度及再结晶退火工艺

    牌 号

    去应力退火
         /℃

    下列厚度再结晶退火温度/℃

    >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黄铜带材的制造过程与力学性能的关系

    性 能
         加工量
         及退火温度/℃

    抗拉强度
         /MPa

    延伸率
         (%)

    晶粒尺寸
         /mm

    制耳高度
         /mm

    极限拉
         伸系数


    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%冷轧→0.8mm,退火。

      2.75%加工:3.2mm,退火→75%冷轧→0.8mm,退火。

      3.制耳高度用外径25mm的坯料深冲成外径45mm样品的制耳的峰谷之差表示,在轧制方向成45°角的方向上生出4个耳子峰,d1=20.6mm。

      4.冷加工后退火保温为1h。

      表9.2-4一般铜合金弹性材料最佳退火规范及性能

    合金代号

    最佳退火规范
         (预冷变形60%)

    弹性极限/MPa

    硬度
         HV

    电阻率ρ/
         (Ωmm2/m)

    σ0.002

    σ0.005

    σ0.01

    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)加工铜合金的强化热处理

      1.加工硬化

      有些铜合金无法通过热处理进行强化,如黄铜、锡青铜、含铝量小于9%的铝青铜、锰青铜、铬青铜、白铜及锰白铜等,它们只能加工硬化。

      2.淬火加回火强化铜合金

      有一类铜合金通过淬火与回火得到强化,原理与钢的强化相似,其典型合金是含铝量大于9%的铝青铜,此合金高温加热出现β相,淬火后β相转变成亚稳组织β′马氏体,将其加热回火时会分解成细小的(α+γ2)共析组织,使强度、硬度又有升高,铝青铜的淬火回火工艺见表9.2-5。

      3.固溶加时效强化铜合金

      有一类铜合金通过固溶与时效得到强化,原理与铝合金的强化相似,其典型合金是铍青铜。铍在铜中的最大溶解度为2.7%,随温度下降而显著减少,且又有明显的沉淀硬化效果,能获得良好的综合机械性能,如强度、硬度、塑性、导电性、弹性极限、弹性模量,并减少合金的弹性滞后。时效前也可冷变形,时效后且能获得更高的强度和硬度。

      铍青铜的固溶时效工艺见表9.2-6,对一般棒材、条材和截面厚度较大的零件,加热保温时间按每25.4mm/h计算,对于薄件加热保温时间见表9.2-7;严格控制固溶温度,既要保证合金元素的溶解,又不能使晶粒急剧长大,铍青铜固溶处理后晶粒尺寸要求见表9.2-8;固溶加热后,应立即淬入低于25℃的水中,转移时间不得超过3~5s。

      铍青铜的时效分高温时效与低温时效,低温时效易于控制,并能获得最大的强度和硬度;但高温时效能更好地去除内应力,获得更高的疲劳强度、抗零点飘移和抗松弛能力。不论高、低温时效,含铍量较多、经过冷加工的材料时效的温度和时间均取下限,反之取上限。

      固溶加热应在真空炉或保护气氛炉中,而决不能在盐浴炉中进行,以免发生晶界腐蚀与脱铍。

      铍青铜型材一般以固溶状态(软态)供货,可直接冷作成形,然后作时效处理。时效过程中随着强化相的析出,以及应力的释放,零件将发生变形,因此须将零件固定在夹具中作时效处理。夹具的重量要尽量轻,用力要适当。在零件形状允许的情况下,夹具可将零件重叠装夹(图9.2-1)。时效处理可叠加进行,因此可把时效分成两次进行,第一次不上夹具,第二次用夹具,且在第一次时效后快速冷却。

      硅青铜、铬青铜、锆青铜、铝白铜同样有固溶强化能力,工艺见表9.2-9。

      表9.2-5铝青铜的淬火与回火工艺

    合金代号

    淬 火

    回 火

    硬度
         HBW


    温度/℃

    时间/h

    冷却

    温度/℃

    时间/h

    冷却


    QA19-2

    790~810

    1~2

    390~410

    1.5~2

    空气

    200~ 250

    QA19-4

    840~860

    1~2

    340~360

    1. 5~2

    空气

    160~220

    QA110-3-1.5

    830~840

    1~2

    300~350

    1.5~2

    空气

    207~289

    QA110-4-4

    910~930

    1~2

    640~660

    1.5~2

    空气

    250~300

      表9.2-6铍青铜固溶与时效工艺

    合金代号

    固溶温度
         /℃

    时 效

    温 度/℃

    时 间/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铍青铜薄板、带材及薄件固溶处理的保温时间

    材料厚度/mm

    保温时间/min

    材料厚度/mm

    保温时间/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铍青铜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硅青铜、铬青铜、锆青铜、铝白铜固溶时效处理工艺

    合金代号

    固 溶

    时 效


    温度/℃

    时间

    冷却介质

    温度/℃

    时间/h


    QSi1-3

    850~875

    1~2 h

    450~475

    2~4


    QCr0.5

    1 000~1020

    20~40min

    425~470

    2~3


    QZr0.2

    900~920

    15~30 min

    420~450

    2~3

    500

    1

    QZr0.4

    920~950

    15~35 mm

    420~460

    2~3

    BA113-3

    900~1000

     

     

    500~600

     

    BA16-1.5

    900

     

     

    500~550

    2

      (三)铜及加工铜合金加热保护气氛

      铜和加工铜合金的热处理须在保护气氛或真空中进行。各种铜与加工铜合金因成分不同,加热时的保护气氛的成分也不同。紫铜采用中性或微还原性气氛,也可在微氧化性气氛中加热(表9.2-10中的1、7),均要限制硫、氧、氢的含量;黄铜采用还原性的气氛(表9.2-10中的2、3、4、5);高锌黄铜(含锌量大于30%)为了防止脱锌和变色要限制CO2及H2O的含量;硅青铜、铝青铜的气氛必须纯净干燥,采用表中的气氛2、4、5;铍青铜淬火时一般采用表中气氛5;白铜采用表中气氛1、3、4、5。

      表9.2-10铜与铜合金热处理保护气氛的类型和成分


         号

    名 称

    类 型

    主要性质

    常用组分(%)

    N2

    H2

    CO

    CO2

    O2

    CHa

    1

    完全
         燃烧的
         碳氢化
         合物

    低放
         热性,
         不纯

    不可
         燃,轻微
         还原性

    83~
         89

    0.2~
         0.5

    0.5~
         1.0

    10~
         14

    0~1

    2

    同上
         (去 除
         CO2及
         H2O)

    低放
         热性,纯

    不可
         燃,中性

    95~
         99

    0.5
         ~3

    0. 5
         ~3

    0~1

    3

    同上
         (去 除
         CO2及
         H2O)

    高放
         热性,纯

    可燃,
         有毒,还
         原性

    71

    12

    15

    0. 1

    2

    4

    完全
         反应的
         碳氢化
         合物

    高吸
         热性,干

    还原
         性

    28
         ~40

    40~
         46. 5

    19
         ~25

    0.4
         ~
         1

    5

    分解
         氨

    未燃
         烧

    可燃,
         还原性

    25

    75

    6

    氮气

    中性

    96~
         99

    1

    7

    二氧
         化碳

    不纯

    惰性

    99. 8

    0. 2

    8

    水蒸
         气

    不纯

    中性

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