基于不同温度退火处理下的铜锰合金 性能组织变化分析

吴启明，陈爱华

(中天合金技术有限公司，江苏 南通 226001)

铜锰基合金钎料通常需要经过热加工、合金化、退火冷却以及塑性加工等一系列工艺的处理，合金组织的成型性能对生产情况十分重要，而合金材料的性能组织同样对塑性加工过程存在很大的影响[1-2]。为此，本文选择不同温度对热轧加工后铜锰合金材料进行退火冷却处理，旨在分析不同退火温度下铜锰合金板材的性能组织发生的变化，从而为该类合金的塑性加工处理及实际应用提供相关借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本次实验所选用的铜锰合金板材均经过热轧开坯加工处理，板材厚度为3.0 mm，合金中主要化学成分包括铜56%～58%、锰32%～33%、钴10%～11%、铁0.5%～1.0%。

1.2 实验方法

实验设备及工具：箱式电阻炉、盐酸—硝酸铁水溶液、光学显微镜、电子拉伸机。

方法及流程：采用箱式电阻炉在不同温度下对铜锰合金板材进行退火处理，设定温度从低到高渐变5个层级，分别为650，700，750，800，850℃，设定时间为1.0 h；采用盐酸—硝酸铁水溶液100 mL进行金相试样制备，腐蚀时间控制在15～30 s之间，采用光学显微镜对合金板材组织进行观察；通过电子拉伸机开展室温拉伸试验，控制拉伸速度为1.0 mm/min，参照ASTM E8[3-5]拉伸试验标准。

2 实验结果

2.1 铜锰合金热轧状态下显微组织

铜锰合金热轧状态下显微组织见图1。

图1 铜锰合金热轧状态下显微组织

从图1a中的组织纹路来看，经过热轧处理后，因合金组织处于回复中，因而未再出现显著的结晶现象，可见条状与絮状组织存在。从图1b中的组织纹路来看，有较多的化合物粒子，且该粒子尚未溶解，同时有少量的腐蚀性小坑存在。

2.2 铜锰合金退火状态下显微组织

铜锰合金退火状态下显微组织见图2。

图2 铜锰合金退火状态下显微组织

从图2能看出，当淬火温度逐步提升时，铜锰合金板材的再结晶现象越来越明显。淬火温度为650℃时，铜锰合金组织处于回复过程，原本热轧态下的板条状组织逐渐转变为絮状组织，且呈现出弥散性分布；淬火温度为700℃时，出现不完全再结晶现象，且多数晶粒分布散乱、状态细小；淬火温度为750℃时，出现完全再结晶现象，并体现出接近于纯铜性质的退火组织，此时合金中絮状组织较之前明显有所减少；淬火温度为800℃时，晶粒明显变大，未见絮状组织，但可见较少的MnCo化合物粒子存在且尚未溶解；淬火温度为850℃时，晶粒体形态更大粗大，此时MnCo化合物粒子已经彻底消溶。

2.3 铜锰合金冷却状态下显微组织

铜锰合金冷却状态下显微组织见图3。

随炉冷却后，铜锰合金中沿轧制方向可见絮状组织的大量分布。炉冷温度为600℃时，絮状组织多散乱分布，且有片状特点；炉冷温度为650℃时，合金组织中絮状更细长，呈紧密分散特点；炉冷温度为700℃时，合金组织出现再结晶现象，且絮状组织中有部分呈现为小块状形态分布；炉冷温度为750～800℃时，合金组织中的絮状组织从原本的细状、长条状逐渐粗大化。通过与图2比较发现，当合金处于高温加热状态时，铜锰合金的元素出现扩散、溶解现象。温度上升的过程中，因合金絮状组织不断积累，从而呈现出粗大化分布。合金组织中元素逐渐增加，使得沿着轧制方向的剪切带、变形组织在塑性时有所增加，最终造成大量变形带的出现，且沿轧制方向规律分布。

图3 铜锰合金冷却状态下显微组织

2.4 铜锰合金热处理后的力学性能变化

铜锰合金热处理后的力学性能变化见图4。

图4 铜锰合金热处理后的力学性能变化

铜锰合金在热轧态下的抗拉强度最高达到731 MPa，屈服强度达到491 MPa，伸长率为23.4%。当淬火温度上升时，其抗拉强度缓慢下降；淬火温度达到650℃时，铜锰合金屈服强度最大，高达733 MPa；淬火温度超过650℃以后，屈服强度也逐渐下降；淬火温度在650℃时，合金伸长率最小，而后随温度的上升呈现出显著增强的趋势，提示淬火温度在800～850℃时，铜锰合金经热处理后具有良好的成型性能。相比于淬火冷却，随炉冷却的合金抗拉、屈服强度均有所增强；炉冷温度为650℃时，铜锰合金强度得到显著增强，但其伸长率最低，仅有11.1%；而随温度的逐渐上升，抗拉、屈曲强度逐渐下降，而伸长率逐渐提高。由此可见，以800～850℃淬火方式处理时，合金板材塑性成型性能极佳。

3 结 论

工业生产领域中，纯铜的工业应用范围一直很广，而关于铜锰合金的研究与报道以往并不多见，近些年随着我国经济与科技的快速发展，有关铜锰合金退火工艺处理方面的研究也逐渐增多。因铜锰合金具备良好的韧性、阻尼性和导电性等优势，在当前工业生产领域中具有十分重要的应用价值。但该类合金钎料需要经过一系列工艺处理成相应规格的材料才能投入应用，可见铜锰合金组织的成型性能如何直接影响到工业生产加工。

本文通过采用箱式电阻炉、光学显微镜等实验手段研究了不同温度退火处理下的铜锰合金板材性能组织变化情况，所得结论陈述如下：

1)铜锰合金热轧处理后，合金组织处于回复状态，观察后可见条状与絮状组织。同时，化合物粒子较多且为未溶解形态，同时可有少量腐蚀性小坑；

2)铜锰合金淬火后，温度逐步提升时，组织再结晶现象也更加明显，絮状组织随温度上升逐渐减少；

3)铜锰合金炉冷状态下，沿轧制方向可见絮状组织的大量分布。随着温度的上升，絮状组织逐渐从散乱分布逐渐变为长条状规律分布；

4)淬火温度上升后，铜锰合金强度下降，但伸张率明显得到提升；随炉冷却后，铜锰合金强度得到提升，但伸长率相对偏低。选择800～850℃淬火方式处理时，铜锰合金板材具有优良的塑性成型性能。