退火工艺对Cu-2Ag-0.075Y合金线坯组织和性能的影响

曾延琦， 余辉辉， 李 洁， 邹 晋， 姜 江， 刘 琦， 胡晓娜

(1. 江西省科学院 应用物理研究所， 江西 南昌 330096；2. 江西省铜钨新材料重点实验室， 江西 南昌 330096；3. 江西省化学工业学校， 江西 南昌 330096)

Cu-Ag合金是一种典型的高强高导铜合金，同时它还具有优良的抗弯折、抗扭转、抗疲劳和耐高温等特性。因此，Cu-Ag合金常被加工成超微细丝线材，广泛用于制作极细同轴电缆、耐热电线电缆、医疗器械有源线束、高端音视频传输电线电缆、小型震动线圈、小型马达和新能源汽车线束等。Cu-2Ag合金超微细丝就是其中一类常用的Cu-Ag合金超细丝线材[1-3]。随着以笔记本电脑、移动通讯、终端信号传输及无人机等为代表的产品向高集成化、微型化和轻量化方向快速发展，市场上对Cu-2Ag合金超微细丝线材的需求量日益增大，而且要求其线径更细。由此导致，超微细丝线材加工企业对Cu-2Ag合金线坯组织和性能的要求越来越苛刻。

稀土元素具有较高的化学活性，在钢铁、有色金属等材料熔炼时，采用稀土微合金化，可以起到净化熔体，细化和均匀化组织，减少铸坯夹杂物和微孔洞等多重作用[4-5]。因此，采用稀土微合金化，以改善Cu-2Ag合金线坯组织和性能，提高其微细拉拔性能，值得关注和研究。目前，大多数研究集中在轻稀土元素，如镧、铈等微合金化对Cu-2Ag合金成分洁净化、微观组织和常规力学性能的影响，而研究重稀土元素或轻重稀土混合微合金化Cu-2Ag合金则相对较少。为此，本研究制备了Cu-2Ag-0.075Y合金线坯，初步探讨了退火工艺对Cu-2Ag-0.075Y合金线坯组织和性能的影响规律，以期为开发满足超微细拉拔的国产高品质、高性能Cu-2Ag合金线坯提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料是直径为φ2.6 mm的Cu-2Ag-0.075Y合金线坯，具体制备方法为先用真空中频感应炉熔铸获得直径为φ40 mm的Cu-2Ag-0.075Y合金铸锭，然后对铸锭进行850 ℃×6 h均匀化处理，随后把铸锭表面氧化皮去除后在750 ℃下热锻成直径为φ20 mm棒材，再对棒材进行800 ℃×1 h固溶处理，最后把棒材表面氧化皮酸洗干净再进行多道次拉拔，最终将棒材拉拔成直径为φ2.6 mm的线坯。Cu-2Ag-0.075Y合金线坯退火工艺试验参数：温度分别为350、450、550和650 ℃，时间分别为15、30、60和120 min。采用蔡司AX10型光学显微镜对样品进行显微组织观察。采用美特斯CMT5205型电子万能试验机测量样品的抗拉强度。采用ZY9987数字式微欧计，在环境温度25 ℃下测量电阻值，然后换算成国际退火铜标准导电率。

2 试验结果及分析

2.1 力学和导电性能

图1为在不同退火温度下Cu-2Ag-0.075Y合金线坯的抗拉强度、伸长率和导电率随保温时间的变化曲线。可以看出，在退火早期阶段，线坯的抗拉强度随着保温时间的延长迅速下降，而且退火温度越高，抗拉强度下降速率越大。仅经过30 min左右，线坯的抗拉强度就从510 MPa降至300～435 MPa。当保温时间从30 min延长至60 min，线坯抗拉强度的下降速率明显放缓。随着保温时间进一步延长至120 min，仅650 ℃退火的试样的抗拉强度略微上升，而其余温度退火的试样抗拉强度均略微下降，总体而言，在退火后期线坯的抗拉强度变化不大，趋于稳定。线坯的伸长率随退火保温时间延长，总体上呈先迅速提升，随后提升速率放缓，最后趋于平稳的趋势。在退火早期，退火温度越高，伸长率提升速率越大，但是到退火中后期，550 ℃退火保温60 min的试样获得了最大的伸长率，约为52%，而650 ℃退火试样的伸长率不仅低于550 ℃退火试样，而且随着保温时间的进一步延长，伸长率发生了轻微的下降。线坯的电导率随退火保温时间的变化规律与上述伸长率的变化规律基本一致，同样是在550 ℃退火保温60 min的试样获得了最高的导电率，约为92.7%，而650 ℃退火保温60 min试样的导电率不仅低于550 ℃退火保温60 min的试样，而且随着保温时间的进一步延长，导电率也发生了轻微的下降。

图1 Cu-2Ag-0.075Y合金线坯经不同工艺退火后的力学和导电性能(a)抗拉强度；(b)伸长率；(c)导电率Fig.1 Mechanical and electrical properties of the Cu-2Ag-0.075Y alloy wire bar annealed with different processes(a) tensile strength; (b) elongation; (c) conductivity

拉拔加工态的Cu-2Ag-0.075Y合金线坯的退火过程包含两个方面：一是铜基体的回复、再结晶和晶粒长大；二是富银相的回溶[6]。在退火早期阶段，主要是铜基体发生回复和部分再结晶，基本消除了加工硬化，基体中的空位、位错和层错等晶体缺陷大幅减少，造成抗拉强度显著下降，伸长率和导电率显著提升。在退火中期阶段，剩余部分再结晶完成、再结晶晶粒开始长大以及少部分尺寸较小的富银相回溶。但是，少部分尺寸较小的富银相回溶带来的固溶强化效果抵消部分再结晶对线坯性能的影响效果，使得材料的抗拉强度下降速度放缓、伸长率和导电率提升速率也放缓[6]。在退火后期阶段，大部分富银相回溶基本完成，晶粒长大速率逐渐放缓，晶粒尺寸几乎无变化，此时，使得线坯抗拉强度、伸长率和导电率均趋于稳定。根据Cu-Ag二元合金相图[7]可知，退火温度大于600 ℃时，富银相可较充分地回溶到铜基体中，在退火后期，其对线坯性能的影响略大于再结晶晶粒长大的影响，导致650 ℃退火保温120 min的试样的抗拉强度略微上升，接近550 ℃退火保温120 min试样的抗拉强度，而伸长率和导电率则略有下降，略小于550 ℃退火保温120 min的试样的伸长率和导电率。

2.2 显微组织

图2为Cu-2Ag-0.075Y合金线坯在350、450、550和650 ℃退火温度下保温60 min后的显微组织。由图2可以看出，350 ℃退火试样发生部分再结晶，450 ℃和550 ℃退火试样再结晶基本完成，形成了等轴晶，晶粒尺寸为9～10 μm，而650 ℃退火试样发生完全再结晶，且晶粒发生了明显长大，晶粒尺寸约为13 μm。随着退火温度的提高，线坯组织发生再结晶程度加大。

图3为Cu-2Ag-0.075Y合金线坯在550 ℃退火温度下保温15、30、60和120 min后的显微组织。由图3可以看出，退火保温15 min和30 min的试样发生部分再结晶，退火保温60 min的试样基本完成再结晶，形成了等轴晶，晶粒尺寸约为10 μm，而退火保温120 min的试样发生完全再结晶，且晶粒发生了不同程度的长大，晶粒尺寸约为14 μm。随着退火保温时间的延长，线坯组织发生再结晶程度加大。因此，可以初步得出，线坯450～550 ℃下退火保温60 min可以获得晶粒较细小、均匀的等轴晶组织，再结合前文力学和导电性能结果分析，线坯在550 ℃退火保温60 min时获得最高的伸长率和导电率。因此，可以得出拉拔加工态的Cu-2Ag-0.075Y合金线坯采用550 ℃×60 min退火工艺可获得较理想组织和性能状态，有利于后续超微细丝拉拔加工[8]。

图3 Cu-2Ag-0.075Y合金线坯在550 ℃下保温不同时间的显微组织Fig.3 Microstructure of the Cu-2Ag-0.075Y alloy wire bar held at 550 ℃ for different time(a) 15 min； (b) 30 min； (c) 60 min； (d) 120 min

3 结论

1) Cu-2Ag-0.075Y合金线坯抗拉强度随着退火时间的延长先显著下降至300～435 MPa，随后下降速率明显放缓，最终趋于平稳，退火温度越高，抗拉强度越低。而伸长率和导电率的变化规律则与抗拉强度相反，先是迅速提升，随后提升速率放缓，最后趋于平稳，550 ℃退火试样可获得较高伸长率和导电率。

2) 随着退火温度的提高和退火保温时间的延长，都可以使Cu-2Ag-0.075Y合金线坯组织再结晶程度加大。采用550 ℃×60 min退火工艺，Cu-2Ag-0.075Y合金线坯可以获得细小、均匀的等轴晶组织，良好的伸长率和导电率匹配，有利于其进行后续超微细丝拉拔加工。