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      8. 铜和加工铜合金的热处理
        admin 2017-05-25 3009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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