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铜和加工铜合金的热处理

admin 2017-05-25 4960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/℃
牌号	去应力退火 /℃	>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)
合金代号	最佳退火规范 (预冷变形60%)	σ0.002	σ0.005	σ0.01	硬度 HV	电阻率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
合金代号	温度/℃	时间/h	冷却	温度/℃	时间/h	冷却	硬度 HBW
QA19-2	790～810	1～2	水	390～410	1.5～2	空气	200～ 250
QA19-4	840～860	1～2	水	340～360	1. 5～2	空气	160～220
QA110-3-1.5	830～840	1～2	水	300～350	1.5～2	空气	207～289
QA110-4-4	910～930	1～2	水	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
合金代号	固溶温度 /℃	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	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)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

编号	名称	类型	主要性质	常用组分(%)
编号	名称	类型	主要性质	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	微	—	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	微	—	0.4 ～ 1
5	分解氨	未燃烧	可燃，还原性	25	75	—	—	—	—
6	氮气	纯	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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