铜及加工铜合金的热处理.doc

一、铜和加工铜合金的热处理 字体 大 中 小(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1.53h，锡青铜、铝青铜、铍青铜为13h。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 13 h，铍青铜为1520 min，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、TU2450520 5005505305805506005806304050 50605060506050701.0 1.051.751.82.52. 64.04. 0棒材T2、TU1、TUP (软制品)5506206067带材T2290340 3403803504103804400.09 0.10.250.30.550.61.2线材T2、T3、T44104300.30.8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/5mm15 mm0.51 mm5 mm15 mm0.51mm5 mm15 mm0.51mm5mm15mm0.51mm0. 5mmBZn15-20250700750680730600700520600BA16-1. 5700750700730580700550600BA113-3700750700730580700550600BMn40-1. 5800850750800600750550600BMn3-12250375700750680730600700520600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H7015% 加工400360570.040.20.45550320730.050. 30.40700300760.070.50.4575% 加工400400490.020.50.49550330700.040.50.44700300650.081.20.45(续表)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H6515% 加工400340620.061.00.45550320740.060.30.42700280700.080.30.4475% 加工400470530.030.50. 44550320690.040. 50.45700290720.092.00. 45H6015% 加工400400450.031. 50. 50550370520.031.20. 46700360520.052.00.4675% 加工400450400.021.50.46550380520.031. 20.46700380530.041.20.47注： 1. 15%加工：0.94mm，退火15%冷轧0.8 mm，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45 mm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 20.6 mm。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/ (mm2/m)0.0020.0050.01QSn4-3150，30 min4545215812180.080 2QSn6.5-0.1150，30 min479539584QSi3-1275，1h4845546192100.262QA17275，30 min6177117742700.115H68200，1h4435095691900.086H80200，1h3824665271700.0567H85200，30 min3423974451550.048 6BZn15-20300，4 h5376025502300.256(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相，淬火后相转变成亚稳组织马氏体，将其加热回火时会分解成细小的(+2)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35 s。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QA19-279081012水3904101.52空气200 250QA19-484086012水3403601. 52空气160220QA110-3-1.583084012水3003501.52空气207289QA110-4-491093012水6406601.52空气250300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/hQBe2780800(320350)5 (350380)313 0.251. 5QBe1.9780800(315340)5 (350380)313 0.251.5QBe1.7780790(300320)5 (350380)313 0.251.5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/min0. 11 0.110. 2526 390.250.76 0.742. 30610 1030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/mm0.250.750.0350.752. 290.0432.294.780.060(a)(b)图9.2-1 为保证零件尺寸精度，应用夹具处理零件示意图(a)重叠 (b)不重叠表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/hQSi1-385087512 h水45047524QCr0.51 00010202040min水42547023(续表)合金代号固 溶时 效温度/时间冷却介质温度/时间/hQZr0.29009201530 min水420450235001QZr0.49209501535 mm水42046023BA113-39001000500600BA16-1.59005005502(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(%)N2H2COCO2O2CHa1完全 燃烧的碳氢化合物低放 热性