摘要:試驗制備了銅—硫,銅—碲兩種合金,研究了擠壓工藝參數(shù)及冷變形對這兩種合金的機械性能、電氣性能,顯微組織的影響,為硫銅、碲銅棒材工藝參數(shù)設(shè)計提供可靠依據(jù)。硫、碲合金元素在鑄態(tài)下與銅形成化合物硫Cu2S、Cu2Te,這兩種化合物在較高溫度與銅形成共晶,以彌散而柔軟的第二相粒子的形式分布于銅基體中,細化晶粒,顯著改善合金切削性能,同時對導電率的影響比較小。

關(guān)鍵詞:第二相;彌散;擠壓;晶粒

中圖分類號:146.11　　　文獻標識碼:A

精密導電器件不但要求有較高的導電性,由于形狀復雜,還要求有精密的尺寸、光潔的表面,大都要進行切削加工,因此還要求材料有優(yōu)良的切削加工性能。純銅雖有優(yōu)良的導電導熱性能,但切削性能較差,所以重要導電器件多采用含碲銅合金[1]。在保留銅合金的優(yōu)良特性的同時,導電和導熱性能降低不多,而且可使用常規(guī)方法生產(chǎn)。,美國等國家成功地以元素硫、硒、碲加到銅和銅合金中去,它們不能溶解到基體金屬中去,以第二相形式彌散分布于晶間或晶內(nèi),加之它們形成的第二相都很軟(顯微硬度低于Cu2O)[2],使切屑易斷,改善材料切削性能。作為易切削材料使用的硫銅(14720)碲銅(14500)合金,目前國內(nèi)對于其生產(chǎn)工藝、組織和性能的研究很不充分,研究報道極少。沈陽有色金屬加工廠在試生產(chǎn)的過程中積累了大量的技術(shù)數(shù)據(jù),為硫銅和碲銅的工藝參數(shù)設(shè)計提供可靠依據(jù)。

1.試驗目的和方法

探索硫銅(C14720)、碲銅(C14500)組織和性能的變化規(guī)律及合理的工藝參數(shù),制定符合ASTMB124中C14720、C14500的技術(shù)條件要求的棒材生產(chǎn)工藝。

試制產(chǎn)品規(guī)格及狀態(tài):

  30± 0.06 H50(拉制)　S25.4± 0.10 H50(拉制)

1.1合金制備(熔鑄)

(1)使用設(shè)備:工頻600 kg電爐;

(2)鑄錠規(guī)格:  223×(370～ 400)mm;

(3)澆鑄溫度:1 200～ 1 220℃ ;

(4)覆蓋劑:烤紅煙灰;

(5)加P-Cu中間合金作為脫氧劑,含磷量

C14720為0.02%,C14500為0.01%。;

(6)由于硫易燒損,須以硫粉裝入薄壁銅管內(nèi)

密封兩頭插入,碲以紫銅薄帶包好后加入。

配料比C14720硫:0.45%;C14500碲:0.55%取鑄造試樣進行金相組織觀察,并拍攝金相組

織圖片。

1.2實驗觀察與測試

鑄坯經(jīng)2 500 t擠壓機加工成棒材,采用水封擠壓和擠壓后空冷這兩種方式,比較機械性能和金相組織的差別,擠壓后進行綜合機械性能試驗,包括抗拉強度,硬度,導電率,延伸率、晶粒度。

擠壓坯料規(guī)格:  33×(3 000～ 3 500)mm

1.3繪制硬化曲線

將擠壓坯料拉制成棒材,按拉伸道次取金相試樣和綜合機械性能試樣,進行材料硬化性能實驗,繪制材料硬化曲線。擠壓坯料冷加工試驗流程:

2.試驗結(jié)果

2.1擠壓工藝參數(shù)的研究

擠壓冷卻條件對擠制棒材的導電率,晶粒度,綜合機械性能無明顯影響。

碲銅的導電率不論是淬水還是空冷均達到89%IACS,硫銅的導電率兩種冷卻方式也沒有明顯區(qū)別,均為84%IACS。硫銅和碲銅的導電性能之所以不受冷卻方式的影響,是由于硫和碲在銅中的溶解度都很小,并且都呈彌散分布的第二相形式析出,引起的晶格畸變比較小,應力場強度較低,從而使合金保持著優(yōu)良的導電性[3]。尤其重要的是,硫、碲即使在高溫下溶解度也很小,碲在800℃時溶解度也不超過0.01%,而硫在銅中的溶解度800℃時則更低,僅為0.002%,因此這兩種合金不能進行淬火時效熱處理強化。且這兩種合金共晶溫度很高,硫銅的共晶溫度為1067℃ ,碲銅的共晶溫度為1084℃[2],不會由于共晶熔化引起熱脆,冷卻方式不會影響其性能。從擠壓試驗數(shù)據(jù)可以觀察到,這兩種合金的性能與擠壓態(tài)的純銅相比,強度硬度均無明顯變化,僅延伸性能略有下降,但擠壓態(tài)硫銅和碲銅合金的晶粒度卻明顯低于同狀態(tài)的純銅,說明合金化元素使合金基體的再結(jié)晶溫度有明顯提高。

2.2金相顯微組織觀察

金相顯微組織觀察見圖1。

照片1為鑄造碲銅金相組織圖片(未侵蝕)。白色基體為α固溶體,蘭灰色略呈網(wǎng)狀分布的析出物為碲與銅形成的化合物Cu2Te,該化合物與α固溶體在1 084℃形成共晶,在銅中形成第二相(α+ Cu2Te)。照片2為鑄造硫銅金相組織圖片(未侵蝕)。白色基體為α固溶體,呈蘭灰色粒狀彌散分布的析出物為共晶體(α+ Cu2S)。由照片中可以觀察到,鑄態(tài)組織的顆粒發(fā)育的較大,第二相粒子形態(tài)為球狀,顆粒尺寸***大為10μm。文獻[4]指出作用顯著的強化顆粒必須是均勻彌散分布,尺寸為亞微米級,因此,碲銅、硫銅的第二相顆粒細度不夠,強化作用微小。

照片3和照片4硫銅和碲銅合金擠壓態(tài)的顯微組織,基體已經(jīng)再結(jié)晶,第二相粒子為鏈狀和條狀。

照片5和照片6為硫銅和碲銅的變形棒材試樣的金相組織照片。變形合金的顯微組織為沿加工方向拉長的基體相和化合物Cu2Te、Cu2S形成的鏈狀和條狀第二相粒子。根據(jù)強化理論,第二相粒子如果為柔軟相,當位錯運動時,位錯線很容易擺脫顆粒的釘扎并攀越顆粒,繼續(xù)向前滑移,使第二相被拖曳成鏈狀的顆粒分布,即第二相粒子很容易被位錯切過甚至粉碎,隨同基體一同變形。因此對材料的強化作用很微弱。這一點與性能測試得到的結(jié)論相一致,即硫銅和碲銅的性能與純銅相差很微小,僅造成延伸性的少量損失。

2.3合金的冷加工性能

硫、碲銅合金具有良好的冷加工能力,可以從 34 mm的擠壓態(tài)棒材經(jīng)多道次的冷拉直接加工到 18 mm,而不用中間退火,且加工硬化速率明顯低于其他銅合金。硫銅(C14720)、碲銅(C14500)綜合機械性能曲線如圖2所示。圖2顯示了硫銅和碲銅的硬化規(guī)律,很顯然兩條曲線的重合性相當好,說明硫銅和碲銅具有相對一致的性能,硬化速度。并且硬化速度均勻,強度和硬度緩慢上升,但延伸率在冷變形初始階段即迅速下降到較低數(shù)值,延性損失速度明顯大于純銅。淬水和空冷兩種冷卻方式的擠壓坯料拉制成的棒材性能無明顯差異。硫銅、碲銅的硬化速度與純銅相似,只有延伸性能略受影響。較大的冷加工只能使合金的導電率下降2%左右,導電率的下降幅度不大,反映了硫、碲銅合金的導電率對冷加工不敏感。

2.4材料切削性能的變化

根據(jù)文獻5介紹,影響切削性能的因素很多,除了正確選擇切削工藝條件外,再結(jié)晶晶粒呈均勻細粒狀,第二相細且均勻分布是至關(guān)重要的,第二相細且均勻分布其效果甚至比提高合金含量還要好。易切削銅材進行拉伸加工,可使剪斷力增大,再加上柔

軟質(zhì)點的影響,可大大減小切削阻力,在一定程度上對改善材料切削性能有益。但冷加工量不益過大,從我廠的試驗數(shù)據(jù)上觀察,在保證合金強度的條件下,冷加工量保持在50%以下切削性能***好。我廠試生產(chǎn)的硫銅和碲銅為拉制品,顯微組織細密,晶粒沿加工方向拉長,第二相也隨同變形,呈條狀或鏈狀分布以易切削黃銅(61%Cu、3%Pb,36%Zn)車削率為100%作標準進行比較,純銅的車削率為僅為20%,而硫銅和碲銅的車削率均能達到80%以上。

3.結(jié)論

(1)冷卻條件對擠壓棒材的導電率、晶粒度、綜合機械性能無明顯影響。擠壓棒材強度,硬度與純銅無明顯的差異,僅延性略有下降,晶粒度明顯得到細化。

(2)碲與硫在銅中均形成穩(wěn)定的金屬間化合物Cu2Te、Cu2S,呈網(wǎng)狀和點狀彌散分布。第二相粒子很柔軟,可以和基體一同變形成條狀和鏈狀,對合金強化作用微弱,再結(jié)晶溫度高于基體金屬。

(3)合金具有優(yōu)良的冷加工性能,加工硬化速度均勻,延伸性能損失較快,導電率對冷加工不敏感。

(4)成品切削性能優(yōu)異。

來源：中國知網(wǎng)   作者：王艷杰

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